DE102023102257A1 - PRODUCTION OF THREE-DIMENSIONALLY STRUCTURED ELECTRODE LAYERS, ESPECIALLY USING THE KIRIGAMI PRINCIPLE - Google Patents

PRODUCTION OF THREE-DIMENSIONALLY STRUCTURED ELECTRODE LAYERS, ESPECIALLY USING THE KIRIGAMI PRINCIPLE Download PDF

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Viviana Rincón Montes
Marie Jung
Jamal Abu Shihada
Andreas Offenhäusser
Lina Koschinski
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, wobei die Herstellung bevorzugt nach dem Kirigami-Prinzip erfolgt.The present invention relates to three-dimensionally structured electrode layers, methods for their production and their use, wherein the production is preferably carried out according to the Kirigami principle.

Description

Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety).All documents cited in the present application are incorporated by reference in their entirety into the present disclosure.

Die vorliegende Erfindung betrifft dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, wobei die Herstellung bevorzugt nach dem Kirigami-Prinzip erfolgt.The present invention relates to three-dimensionally structured electrode layers, methods for their production and their use, wherein the production is preferably carried out according to the Kirigami principle.

Stand der Technik:State of the art:

Flexible Neuroimplantate sind implantierbare elektronische Geräte, die die neuronale Aktivität von Nervengewebe im peripheren und zentralen Nervensystem messen und stimulieren können. Neuroimplantate bestehen größtenteils aus einer Matrix von Mikroelektroden, bei denen es sich in der Regel um leitende Schichten handelt, die zwischen dünnen isolierenden Polymerschichten eingebettet und eingekapselt sind. Die meist ein- (1D) oder zweidimensionale (2D) Elektrodenmatrix wird entweder auf dem Nervengewebe aufgelegt oder penetriert das Gewebe, um verschiedene neuronale Aktivitäten, z.B. des Gehirns, der Retina oder von peripheren Nerven, zu messen und/oder zu kontrollieren. Flexible neuronale Implantate können Oberflächenimplantate sein, die aus einer 2D-Matrix bestehen, um die x-y-Positionen an der Oberfläche des neuronalen Gewebes abzubilden. Um Zellen auch innerhalb des Nervengewebes an beliebigen x- und y-Positionen ansprechen zu können, existieren penetrierende Fäden oder Schäfte, die jeweils aus einer 1D- oder 2D-Elektrodenmatrix bestehen. Dabei entspricht eine 1D-Matrix einem einzelnen Schaft, um die z-Achse mit abzubilden, und eine 2D-Matrix entspricht einer Gruppe von Schäften mit festen Abständen zwischen den Schäften, um x - z- oder y - z-Positionen abzubilden. Ein Standardansatz für Multielektroden-Arrays ist das Utah-Array, das aus Silizium (Si)-Nadeln mit metallbasierten oder leitfähigen Polymerspitzen und einer biokompatiblen Polymerverkapselung besteht. Daher erlaubt das Utah-Array nur eine Ableitung je Nadel (x - y-Positionen bei fester z-Position). Ein anderer Ansatz ist das Standarddesign von Michigan, welches aus Goldelektroden auf Si-Schäften besteht. Hier können zwar mehrere Ableitungen je Schaft erfolgen (mehrere z-Positionen), aber das Design ist planar, sodass nur Ableitungen in x - z- oder y - z- möglich sind. Um mit dem dreidimensionalen Raum von Nervengewebe interagieren zu können, werden dreidimensionale (3D) Neuroimplantate mit möglichst vielen Elektroden zur Ableitung benötigt. Diese Implantate sollten dann in verschiedene Schichten des Gewebes eindringen, um Zellen von unterschiedlichen Schichten zu stimulieren und ihre Signale abzuleiten. Die vorhandenen Arbeiten mit Mehrfachableitung in drei Dimensionen konzentrieren sich zurzeit hauptsächlich auf in-vitro, ex-vivo, oder in-vivo Experimente, zum Beispiel im Kortex. Wenn mehrere 1D- oder 2D-Matrizen an verschiedenen x - y-Positionen implantiert werden, kann der Zugang zum 3D-Raum gewährleistet werden. Jedoch ergeben sich dabei die folgenden technischen Probleme:

  1. i. Jede Probe muss einzeln implantiert werden, wodurch sich die Implantationszeit und der Platzbedarf für die Front-End-Verbindungen erhöhen.
  2. ii. Beliebige Positionen einzelner 1D- oder 2D-Sonden erhöhen die Komplexität der Rekonstruktion und Analyse des 3D-Raums, insbesondere, weil die implantierte Position einzelner Sonden anfällig für Veränderungen aufgrund von Mikrobewegungen (z. B. durch die Atmung oder des Herz-Kreislauf-Systems) ist.
  3. iii. Es kann kein simultaner Zugriff auf den vollständigen 3D-Raum erfolgen.
Flexible neuroimplants are implantable electronic devices that can measure and stimulate the neuronal activity of nerve tissue in the peripheral and central nervous system. Neuroimplants mostly consist of a matrix of microelectrodes, which are usually conductive layers embedded and encapsulated between thin insulating polymer layers. The mostly one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) electrode matrix is either placed on the nerve tissue or penetrates the tissue to measure and/or control various neuronal activities, e.g. of the brain, retina or peripheral nerves. Flexible neural implants can be surface implants that consist of a 2D matrix to map the xy positions on the surface of the neural tissue. In order to be able to address cells at any x and y positions within the nerve tissue, penetrating threads or shafts exist, each consisting of a 1D or 2D electrode matrix. A 1D matrix corresponds to a single shaft to map the z-axis, and a 2D matrix corresponds to a group of shafts with fixed distances between the shafts to map x - z or y - z positions. A standard approach for multi-electrode arrays is the Utah array, which consists of silicon (Si) needles with metal-based or conductive polymer tips and a biocompatible polymer encapsulation. Therefore, the Utah array only allows one recording per needle (x - y positions with a fixed z position). Another approach is the standard design from Michigan, which consists of gold electrodes on Si shafts. Here, several recordings can be made per shaft (multiple z positions), but the design is planar, so only recordings in x - z or y - z are possible. In order to be able to interact with the three-dimensional space of nerve tissue, three-dimensional (3D) neuroimplants with as many electrodes as possible for recording are required. These implants should then penetrate different layers of the tissue to stimulate cells from different layers and record their signals. Existing work with multiple recording in three dimensions currently focuses mainly on in-vitro, ex-vivo, or in-vivo experiments, for example in the cortex. If several 1D or 2D matrices are implanted at different x - y positions, access to 3D space can be ensured. However, this poses the following technical problems:
  1. i. Each probe must be implanted individually, increasing implantation time and space requirements for front-end connections.
  2. ii. Arbitrary positions of individual 1D or 2D probes increase the complexity of reconstructing and analyzing 3D space, particularly because the implanted position of individual probes is susceptible to changes due to micro-movements (e.g. due to breathing or the cardiovascular system).
  3. iii. Simultaneous access to the full 3D space is not possible.

Verschiedene dreidimensionale Neuroimplantate im mm- und µm- Größenbereich wurden bereits mit unterschiedlichen Methoden hergestellt. Die zwei hauptsächlich genutzten Methoden sind zum einen die Stapelung von mehreren 2D-Implantaten oder Kirigami-Technik.

  1. i. Stapelung von 2D-Implantaten: Hier werden mehrere 2D-Implantate aufeinandergestapelt, um ein 3D-Implantat zu generieren. Üblicherweise befinden sich zwischen den 2D-Implantaten Platzhalter, um einen genauen Abstand zu definieren (zum Beispiel in Shin, H. et al.: „3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics“, Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3 ).
  2. ii. Kirigami-Technik: Hier werden 2D-Strukturen (aus-)geschnitten und anschließend so gefaltet, dass ein 3D-Implantat entsteht (zum Beispiel in Socia et al.: „A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models“, Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J ). Für das Falten an sich existieren in der Literatur verschiedene Methoden:
    1. a. Nutzen von ferromagnetischen Folien auf der Rückseite der Schäfte, um das 2D-Design mithilfe eines magnetischen Feldes zu falten.
    2. b. Die Schäfte falten sich von selbst (z.B. durch elektrostatische Einwirkungen).
    3. c. Manuelles, mechanisches Falten der einzelnen 2D-Schäfte oder mehrerer zur gleichen Zeit.
Various three-dimensional neuroimplants in the mm and µm size range have already been manufactured using different methods. The two main methods used are the stacking of several 2D implants or the Kirigami technique.
  1. i. Stacking of 2D implants: Here, several 2D implants are stacked on top of each other to generate a 3D implant. Usually, there are spacers between the 2D implants to define a precise distance (for example in Shin, H. et al.: “3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics,” Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3 ).
  2. ii. Kirigami technique: Here, 2D structures are cut out and then folded to create a 3D implant (for example in Socia et al.: “A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models,” Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J ). For folding itself, various methods exist in the literature:
    1. a. Using ferromagnetic foils on the back of the shafts to fold the 2D design using a magnetic field.
    2. b. The shafts fold themselves (e.g. due to electrostatic effects).
    3. c. Manual, mechanical folding of individual 2D shafts or several at the same time.

Die Lösungen des Standes der Technik sind entweder manuelle und zum Teil sehr zeitaufwändige Prozesse, die das individuelle Falten von einzelnen Schäften oder das einzelne Übereinanderstapeln von 2D-Proben verlangen. Diese Prozesse sind nicht oder nur schwer parallelisierbar. Außerdem werden zytotoxische Materialen, z.B. ferromagnetische Metalle wie Nickel, in Kombination mit energiereichen magnetischen Feldern (100 - 400 mT), die als gefährlich gelten, verwendet. Zum Teil falten sich Schäfte wieder zurück oder der Faltwinkel liegt nicht immer bei 90° (unzuverlässige Ergebnisse).The state-of-the-art solutions are either manual and sometimes very time-consuming processes that require the individual folding of individual shafts or the individual stacking of 2D samples. These processes cannot be parallelized or are difficult to parallelize. In addition, cytotoxic materials, e.g. ferromagnetic metals such as nickel, are used in combination with high-energy magnetic fields (100 - 400 mT), which are considered dangerous. Sometimes shafts fold back again or the folding angle is not always 90° (unreliable results).

Daher wird nach wie vor nach einer Methode gesucht, die eine schnelle, parallelisierbare und zuverlässige Herstellung von dreidimensionalen (Neuro-)Implantaten erlaubt.Therefore, we are still looking for a method that allows a fast, parallelizable and reliable production of three-dimensional (neuro)implants.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher im Hinblick auf den Stand der Technik Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen (Neuro-)Implantaten beziehungsweise dafür geeigneten dreidimensional strukturierten Elektrodenanordnungen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und insbesondere schnell, parallelisierbar und zuverlässig sind, sowie diese Implantate und Anordnungen selbst zu finden.The object of the present invention was therefore, in view of the state of the art, to find methods for producing three-dimensional (neuro) implants or three-dimensionally structured electrode arrangements suitable therefor, which do not have the disadvantages of the state of the art and are in particular fast, parallelizable and reliable, as well as these implants and arrangements themselves.

Weitere Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung.Further tasks for the specialist arise from the following description.

Gelöst werden diese und andere Aufgaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.These and other objects are achieved within the scope of the present invention by the subject matter of the independent claims.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.Preferred embodiments emerge from the dependent claims and the following description.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff «umfassen» jeweils als besonders bevorzugte Ausgestaltung auch «bestehend aus» ein; das heißt eine entsprechende Liste kann neben den explizit genannten Elementen auch weitere Elemente enthalten (= umfassen), oder sie kann genau diese Elemente enthalten (=bestehen aus) (wobei unwesentliche Elemente wie Schrauben, Markierungen etc. nicht berücksichtig sind).In the context of the present invention, the term "comprise" also includes "consisting of" as a particularly preferred embodiment; that is, a corresponding list can contain (= comprise) other elements in addition to the explicitly mentioned elements, or it can contain exactly these elements (= consist of) (whereby unimportant elements such as screws, markings, etc. are not taken into account).

Bei relativen Angaben wie oben, unten, links, rechts oder Ähnlichem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bezugssystem von einem aufrecht auf dem Erdboden vor dem diskutierten Objekt stehenden Beobachter ausgegangen.In the case of relative information such as above, below, left, right or similar, the reference system used in the present invention is an observer standing upright on the ground in front of the object under discussion.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „und/oder“ dass beide in dem Zusammenhang genannten Elemente jeweils einzeln als auch die Kombination der in dem Zusammenhang genannten Elemente umfasst ist.In the context of the present invention, the expression “and/or” means that both elements mentioned in the context are included individually as well as the combination of the elements mentioned in the context.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „flexibel“, dass die betreffenden Elemente, insbesondere die 2D-Elektrodenstrukturlage und die n-seitigen Elektrodenstrukturen, um 90° gebogen werden können, ohne dass sie dabei zerstört werden oder ihre Funktionalität verlieren, was dadurch erreicht wird, dass Materialien mit einer entsprechenden Biegesteifigkeit (die abhängt vom Elastizitätsmodul der eingesetzten Materialien und der jeweiligen Materialdicke) eingesetzt werden. Die Elastizitätsmoduln der Materialien sind dem Fachmann bekannt beziehungsweise können nachgeschlagen werden, so dass der Fachmann die notwendige Biegesteifigkeit ohne weiteres bestimmen kann. Insbesondere sind Beispiele Parylen-C oder Polyimid mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen darauf.In the context of the present invention, the term "flexible" means that the elements in question, in particular the 2D electrode structure layer and the n-side electrode structures, can be bent by 90° without being destroyed or losing their functionality, which is achieved by using materials with a corresponding bending stiffness (which depends on the elastic modulus of the materials used and the respective material thickness). The elastic moduli of the materials are known to the person skilled in the art or can be looked up, so that the person skilled in the art can easily determine the necessary bending stiffness. In particular, examples are parylene-C or polyimide with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks on them.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind alle Mengenangaben, sofern nicht anders angegeben, als Gewichtsangaben zu verstehen.In the context of the present invention, all quantities are to be understood as weights unless otherwise stated.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Umgebungstemperatur“ eine Temperatur von 20°C. Temperaturangaben sind, soweit nicht anders angegeben, in Grad Celsius (°C).In the context of the present invention, the term “ambient temperature” means a temperature of 20°C. Temperatures are in degrees Celsius (°C), unless otherwise stated.

Sofern nichts anderes angegeben wird, werden die angeführten Reaktionen bzw. Verfahrensschritte bei Atmosphärendruck, d.h. bei etwa 1013 kPa durchgeführt.Unless otherwise stated, the reactions or process steps mentioned are carried out at atmospheric pressure, i.e. at approximately 1013 kPa.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen beziehungsweise von 3D-Mikroelektrodenarrays (MEA). Diese können als neuronale 3D-Implantate auf der Grundlage flexibler, polymerer und gegebenenfalls thermoplastischer Materialien (z. B. Parylen-C oder Polyimide) verwendet werden. Dabei bestehen die Implantate aus einer 3D-Mikroelektrodenmatrix aus flexiblen Schäften, von denen jeder mindestens eine, bevorzugt aber mehrere Elektrodenstellen enthält, um bei der Implantation eine elektrische Kopplung, insbesondere mit neuralen Gewebe, herstellen zu können. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, planare Elektroden auf der Oberfläche der 2D-Struktur des 3D-Mikroelektrodenarrays anzuordnen, insbesondere kann dies erreicht werden, indem die betreffenden Elektrodenstrukturen im Rahmen des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung nicht angehoben werden, also in der zu verwendenden Formgebungslage an deren Stellen keine Erhebungen vorgesehen werden.The present invention relates to a method for producing three-dimensionally structured electrode layers or 3D microelectrode arrays (MEA). These can be used as neural 3D implants based on flexible, polymeric and optionally thermoplastic materials (e.g. parylene-C or polyimides). The implants consist of a 3D microelectrode matrix made of flexible shafts, each of which contains at least one, but preferably several electrode locations in order to be able to establish an electrical coupling, in particular with neural tissue, during implantation. In addition, it is possible to arrange planar electrodes on the surface of the 2D structure of the 3D microelectrode array; in particular, this can be achieved by not raising the relevant electrode structures in the context of the manufacturing method of the present invention, i.e. by not providing elevations in the shaping layer to be used at their locations.

Zur Herstellung werden zunächst Reinraumtechnologien der Halbleitertechnik eingesetzt, um die 2D-Form (x-y) und Ausschnitte für das Falten des MEA/Implantats zu erzeugen. Dann folgt das Falten der Kirigami-Strukturen. Die Bezeichnung Kirigami-Strukturen kommt aus der japanischen Papierfaltkunst, wo Kirigami eine Variante von Origami ist. Um Kirigami-Strukturen zu erzeugen, wird das zweidimensionale Material sowohl geschnitten als auch gefaltet. Dies führt zu einem dreidimensionalen Design, das sich von der zweidimensionalen Struktur abhebt. Die Bezeichnung „Kirigami-Strukturen“ ist im Stand der Technik gebräuchlich und dem Fachmann bekannt (vgl. zum Beispiel die Abstracts von Liu et al. „Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics“, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109214 oder von Guo et al. „A flexible and stretchable Kirigami-inspired implantable neural probe with floating microsites for electrophysiology recordings“, 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vancouver, BC, Canada, 2020, pp. 350-353 ). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein mechanisches Formgebungsverfahren verwendet, um alle 2D-Schäfte gleichzeitig anzuheben und so ein MEA beziehungsweise eine 3D-Sonde mit vordefinierten Abständen zwischen den einzelnen Schäften zu bilden. Dazu wird die 2D-Elektrodenstrukturlage zu einer Art Selbstjustierung (Schlüssel-Schloss-Prinzip) auf ein Array aus Blöcken und Strukturen (die Formgebungslage) gelegt, um die jeweiligen Elektrodenschäfte gleichzeitig in einem vorher frei definierten Winkel (je nach Anwendung) nach oben zu falten. Im Prinzip sind alle Winkel technisch möglich. Erfindungsgemäß bevorzugt sind aber Winkel zwischen 45° und 135°, besonders bevorzugt 70 bis 110°, insbesondere 90°, jeweils bezogen auf die Ebene der ursprünglichen 2D-Elektrodenstrukturlage. Falls die Strukturen (Elektrodenstrukturen, beziehungsweise deren Schäfte) ein hohes Seitenverhältnis haben, können Sollbruchstellen in den Schnittstellen genutzt werden, um die Strukturen während der Herstellung und vor dem Falten zu stabilisieren. Danach wird das MEA beziehungsweise die 3D-Sonde in einer Umgebung mit Hitze (Ofen) platziert, um die 3D-Strukturen zu stabilisieren (Thermoverformung).For production, clean room technologies of semiconductor technology are initially used to ensure 2D shape (xy) and cutouts for folding the MEA/implant. This is followed by folding the Kirigami structures. The term Kirigami structures comes from the Japanese art of paper folding, where Kirigami is a variant of Origami. To create Kirigami structures, the two-dimensional material is both cut and folded. This results in a three-dimensional design that stands out from the two-dimensional structure. The term “Kirigami structures” is common in the art and known to the person skilled in the art (see, for example, the abstracts of Liu et al. “Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics,” Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109214 or from Guo et al. “A flexible and stretchable Kirigami-inspired implantable neural probe with floating microsites for electrophysiology recordings,” 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vancouver, BC, Canada, 2020, pp. 350-353 ). Within the scope of the present invention, a mechanical shaping process is used to lift all 2D shafts simultaneously and thus form an MEA or a 3D probe with predefined distances between the individual shafts. For this purpose, the 2D electrode structure layer is placed on an array of blocks and structures (the shaping layer) for a type of self-adjustment (key-lock principle) in order to fold the respective electrode shafts upwards at the same time at a previously freely defined angle (depending on the application). In principle, all angles are technically possible. However, according to the invention, angles between 45° and 135° are preferred, particularly preferably 70 to 110°, in particular 90°, in each case based on the plane of the original 2D electrode structure layer. If the structures (electrode structures or their shafts) have a high aspect ratio, predetermined breaking points in the interfaces can be used to stabilize the structures during production and before folding. The MEA or 3D probe is then placed in a heated environment (oven) to stabilize the 3D structures (thermoforming).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die 2D-Strukturen der Elektrodenstrukturlagen und die Formen zum Falten (Formgebungslagen) in bevorzugten Varianten im Mikrometer-bereich gefertigt. Dafür ist es vorteilhaft und mithin bevorzugt, wenn die Herstellung unter Verwendung von Reinraumtechnologie, Mikrofabrikationsprozessen, Dünnfilmtechniken sowie 3D-Druck mit Auflösung im µm-Bereich erfolgt. Das Falten der 2D-Strukturen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein sehr präziser, selbstjustierender Vorgang (Schlüssel-Schloss-Prinzip), der bevorzugt mit µm-Genauigkeit ausgeführt wird.Within the scope of the present invention, the 2D structures of the electrode structure layers and the forms for folding (shaping layers) are manufactured in preferred variants in the micrometer range. For this purpose, it is advantageous and therefore preferred if the production is carried out using clean room technology, microfabrication processes, thin film techniques and 3D printing with resolution in the µm range. The folding of the 2D structures within the scope of the present invention is a very precise, self-adjusting process (key-lock principle), which is preferably carried out with µm accuracy.

Zunächst ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht:

  1. A) Bereitstellen einer flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage umfassend n-seitige Elektrodenstrukturen, von denen eine Seite an der Strukturlage fest ist und die übrigen Seiten ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt sind, bevorzugt durch ein- oder durchschneiden sind;
  2. B) Bereitstellen einer dreidimensionalen Formgebungslage umfassend hervorstehende Strukturen;
  3. C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen zugeordnet sind;
  4. D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage festen Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden (also bis auf die feste Seite);
  5. E) Erhitzen der zusammengefügten Lagen, so dass die n-seitigen Elektrodenstrukturen der Elektrodenstrukturlage in der durch die hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage vorgegebenen (hervorgerufenen) Lage fixiert werden;
  6. F) Trennen der Lagen voneinander.
Firstly, the present invention relates to a method for producing three-dimensionally structured electrode layers, which comprises or consists of the following method steps:
  1. A) providing a flexible 2D electrode structure layer comprising n-sided electrode structures, one side of which is fixed to the structure layer and the remaining sides are completely or partially separated from the structure layer, preferably by cutting or cutting through;
  2. B) providing a three-dimensional shaping layer comprising protruding structures;
  3. C) aligning the flexible 2D electrode structure layer and the forming layer such that the respective protruding structures are associated with respective n-side electrode structures;
  4. D) pressing the 2D electrode structure layer and the shaping layer together, wherein the n-side electrode structures are pressed out of the plane of the 2D electrode structure layer by the respective protruding structures of the shaping layer and are raised in a rotating manner about a side fixed to the 2D electrode structure layer (i.e. up to the fixed side);
  5. E) heating the joined layers so that the n-side electrode structures of the electrode structure layer are fixed in the position predetermined (caused) by the protruding structures of the forming layer;
  6. F) Separating the layers from each other.

Da das Material flexibel ist, biegen sich die n-seitigen Strukturen sobald die 2D-Elektrodenstrukturlage in die Formgebungslage platziert wird. Durch das Erhitzen wird die Molekülstruktur des Materials der 2D-Elektrodenstrukturlage dann so verändert, dass die Form nach der Abkühlung erhalten bleibt (je nach Material thermoplastisch oder duroplastisch).Since the material is flexible, the n-sided structures bend as soon as the 2D electrode structure layer is placed in the forming layer. Heating then changes the molecular structure of the material of the 2D electrode structure layer so that the shape is retained after cooling (thermoplastic or thermosetting depending on the material).

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet n-seitige Elektrodenstruktur, dass die jeweilige Struktur n Seiten hat, wobei n eine ganze natürliche Zahl und 3 oder größer ist. Im Prinzip besteht kein oberes ende für n, jedoch wird ab einer gewissen Größe von n die an der Strukturlage feste Seite zu kurz um stabil zu sein. Insofern ist n bevorzugt 3 und 12, besonders bevorzugt 3 bis 8, insbesondere bevorzugt 3 bis 6 und noch weiter bevorzugt 3 bis 5. Am meisten bevorzugt ist n = 4 oder n=5.In the context of the present invention, n-sided electrode structure means that the respective structure has n sides, where n is a whole natural number and 3 or more. In principle, there is no upper limit for n, but above a certain size of n the side fixed to the structural layer becomes too short to be stable. In this respect, n is preferably 3 and 12, particularly preferably 3 to 8, especially preferably 3 to 6 and even more preferably 3 to 5. Most preferably n = 4 or n = 5.

Das der festen Seite abgewandte Ende muss nicht zwangsläufig eine gerade Seite sein, sondern kann auch als Spitze ausgeformt sein. Zum Beispiel könnte bei n=4 die Elektrodenstruktur länglich und rechteckig sein und die dem festen Ende am weitesten entfernte Seite (kurze Seite) könnte als Spitze ausgeformt sein, die Elektrodenstruktur hätte dann die Form eines Obeliskenlängsschnittes. Dies ist erfindungsgemäß eine besonders bevorzugte Ausgestaltung. Diese Variante könnte auch als 5-seitig bezeichnet werden, wenn man die Kanten der Spitze als Seiten ansieht.The end facing away from the fixed side does not necessarily have to be a straight side, but can also be shaped like a point. For example, with n=4, the electrode structure could be elongated and rectangular and the side furthest away from the fixed end (short side) could be shaped like a point, the electrode structure would then have the shape of an obelisk longitudinal section. This is a particularly preferred embodiment according to the invention. This variant could also be referred to as 5-sided if the edges of the point are viewed as sides.

Erfindungsgemäß ist eine der n Seiten fest an der Strukturlage. Um diese Seite herum als Drehachse, in Art eines Scharniers wirkenden Gelenks, also mit Freiheitgrad f=1, wird die jeweilige n-seitige Elektrodenstruktur in Schritt D) durch Einwirkung der hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage heraus aus der Ebene der Elektrodenstrukturlage aufgerichtet werden, wodurch aus der 2D-Elektrodenstrukturlage eine Lage mit dreidimensionaler Struktur der Elektrodenstrukturen wird.According to the invention, one of the n sides is fixed to the structural layer. Around this side as a rotation axis, a joint acting like a hinge, i.e. with a degree of freedom f=1, the respective n-sided electrode structure is erected in step D) out of the plane of the electrode structure layer by the action of the protruding structures of the shaping layer, whereby the 2D electrode structure layer becomes a layer with a three-dimensional structure of the electrode structures.

Die übrigen Seiten sind ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt, damit sie dem Aufrichten nicht entgegenwirken. Abhängig von der Größe der n-seitigen Elektrodenstruktur kann es nötig sein, dass die Seiten nur teilweise abgetrennt sind, damit die n-seitigen Elektrodenstrukturen noch ausreichend stabil sind und nicht zum Beispiel einfach „herunterhängen“, denn dies würde die Genauigkeit der weiteren Verarbeitung erschweren. Für diesen Fall sind die Seiten möglichst weitgehend abgetrennt und die nicht getrennten Bereiche verbleiben als Sollbruchstellen.The remaining sides are completely or partially separated from the structure layer so that they do not counteract the erection. Depending on the size of the n-sided electrode structure, it may be necessary for the sides to be only partially separated so that the n-sided electrode structures are still sufficiently stable and do not, for example, simply "hang down", as this would make the accuracy of further processing more difficult. In this case, the sides are separated as far as possible and the areas that are not separated remain as predetermined breaking points.

Die Abtrennung der Seiten von der übrigen 2D-Elektrodenstrukturplatte erfolgt bevorzugt während der Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage. Es handelt sich bevorzugt nicht um einen herkömmlichen Schneidvorgang, sondern einen Trockenätzschritt (reactive ion etching), bei dem mindestens 3 µm breite Aussparungen um die Seiten herum geätzt werden (außer um die Seite, die mit der 2D-Elektrodenstrukturlage verbunden bleiben und als „scharnierartige“ Drehachse dienen soll). Bei hohen Seitenverhältnissen befinden sich in den Aussparungen Sollbruchstellen zwischen der n-seitigen Elektrodenstruktur und der 2D-Elektrodenstrukturlage. Die Sollbruchstellen sind in diesen Fällen bevorzugt so gestaltet, dass sie durch mechanische Belastung aufgrund der hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aufbrechen, sobald die 2D-Elektrodenstrukurlage und die Formgebungslage zusammengepresst werden.The separation of the sides from the rest of the 2D electrode structure plate preferably takes place during the production of the 2D electrode structure layer. This is preferably not a conventional cutting process, but a dry etching step (reactive ion etching), in which recesses at least 3 µm wide are etched around the sides (except for the side that remains connected to the 2D electrode structure layer and is intended to serve as a "hinge-like" axis of rotation). With high aspect ratios, there are predetermined breaking points in the recesses between the n-side electrode structure and the 2D electrode structure layer. In these cases, the predetermined breaking points are preferably designed in such a way that they break open due to mechanical stress due to the protruding structures of the shaping layer as soon as the 2D electrode structure layer and the shaping layer are pressed together.

Die n-seitigen Elektrodenstrukturen weisen Elektrodenflächen und Leiterbahnen auf, wobei diese leitend mit weiteren Leiterbahnen und/oder Elektroden auf der 2D-Elektrodenstrukturlage verbunden sind. Die Leiterbahnen sind dabei so konfiguriert, dass sie das Aufrichten ohne Beschädigung überstehen. Da das Aufrichten in Richtung der Leiterbahnen erfolgt, ist dies üblicherweise nicht problematisch und in manchen Varianten der vorliegenden Erfindung bedarf es keiner besonderen Maßnahmen diesbezüglich; in anderen Varianten der vorliegenden Erfindung werden die Leiterbahnen an den Stellen, bei denen beim Aufrichten die größten Winkel entstehen, bevorzugt in Form von Mäanderstrukturen ausgeführt, sodass die mechanische Belastung verringert wird. Eine andere Möglichkeit weiterer erfindungsgemäßer Varianten ist es, die Schichtdicke der Leiterbahnen zu verringern.The n-side electrode structures have electrode surfaces and conductor tracks, which are conductively connected to other conductor tracks and/or electrodes on the 2D electrode structure layer. The conductor tracks are configured in such a way that they survive the erection without damage. Since the erection takes place in the direction of the conductor tracks, this is usually not a problem and in some variants of the present invention no special measures are required in this regard; in other variants of the present invention, the conductor tracks are preferably designed in the form of meander structures at the points where the largest angles arise during erection, so that the mechanical load is reduced. Another possibility for further variants according to the invention is to reduce the layer thickness of the conductor tracks.

In Varianten der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die n-seitigen Elektrodenstrukturen regelmäßige n-Ecke bilden, zum Beispiel gleichseitige.In variants of the present invention, it is preferred if the n-side electrode structures form regular n-corners, for example equilateral ones.

Das Aspektverhältnis der n-seitigen Elektrodenstrukturen ist Länge: Breite, wobei die Länge die längste Strecke orthogonal zu der festen Seite und die Breite die längste Strecke parallel zu der festen Seite ist.The aspect ratio of the n-side electrode structures is length:width, where the length is the longest distance orthogonal to the fixed side and the width is the longest distance parallel to the fixed side.

In manchen bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Aspektverhältnis 250:1 bis 1:1, bevorzugter 100:1 bis 1:1, mehr bevorzugt 50:1 bis 1:1, weiter bevorzugt 10:1 bis 1:1, noch weiter bevorzugt 8:1 bis 2:1, besonders bevorzugt 6:1 bis 3.1 und insbesondere 5:1 bis 4:1. In einer bevorzugten Variante beträgt das Aspektverhältnis einer 4-seitigen Elektrodenstruktur 5:1 bis 4:1.In some preferred embodiments, the aspect ratio is 250:1 to 1:1, more preferably 100:1 to 1:1, more preferably 50:1 to 1:1, further preferably 10:1 to 1:1, even more preferably 8:1 to 2:1, particularly preferably 6:1 to 3.1 and in particular 5:1 to 4:1. In a preferred variant, the aspect ratio of a 4-sided electrode structure is 5:1 to 4:1.

In weiteren Ausführungsformen können die Aspektverhältnisse wie folgt ausgewählt werden:

  • - für KiriCors (siehe dazu weiter unten) 250:1 bis 15:1, zum Beispiel 20:1, etwa 33:1, 40:1, etwa 67:1, 100:1 oder 200:1;
  • - für KiriRets (siehe dazu weiter unten) 50:1 bis 3:1, zum Beispiel 4:1, etwa 5:1, 6:1, etwa 8:1, 23:1 oder 45:1.
In further embodiments, the aspect ratios can be selected as follows:
  • - for KiriCors (see below) 250:1 to 15:1, for example 20:1, about 33:1, 40:1, about 67:1, 100:1 or 200:1;
  • - for KiriRets (see below) 50:1 to 3:1, for example 4:1, about 5:1, 6:1, about 8:1, 23:1 or 45:1.

Die hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage können im Prinzip beliebige Formen aufweisen. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass diese Strukturen beim Zusammendrücken/Anpressen der Formgebungslage mit der Elektrodenstrukturlage die n-seitigen Elektrodenstrukturen weggedrückt werden könne, ohne dabei zerstört zu werden. Insofern ist es bevorzugt, wenn die hervorstehenden Strukturen nicht zu spitz und zu hart sind, so dass sie die n-seitigen Elektrodenstrukturen nicht beschädigen.The protruding structures of the shaping layer can, in principle, have any shape. It must only be ensured that these structures can be pushed away from the n-side electrode structures when the shaping layer is pressed together/pressed against the electrode structure layer without being destroyed. In this respect, it is preferable if the protruding structures are not too sharp and too hard so that they do not damage the n-side electrode structures.

In bevorzugten Ausgestaltungen sind die hervorstehenden Strukturen rechteckige Blöcke mit einem pyramidalen oberen Ende, oder mit einem viereckig prismatischen oberen Ende. In der Anwendung wird die Formgebungslage dann bevorzugt so angeordnet, dass die Neigung der oberen Fläche des viereckig prismatischen oberen Endes von der vollständig festen Seite der n-seitige Elektrodenstruktur aus gesehen ansteigen.In preferred embodiments, the protruding structures are rectangular blocks with a pyramidal top end, or with a square prismatic top end. In use, the shaping layer is then preferably arranged such that the inclination of the upper surface of the square prismatic top end increases as viewed from the fully solid side of the n-side electrode structure.

Weiterhin sollten die jeweiligen hervorstehenden Strukturen in Ihren Dimensionen so angepasst sein, dass sie genügend Druck auf die n-seitigen Elektrodenstrukturen ausüben können, wobei die hervorstehenden Strukturen der Formgebungsanlage so gewählt sein sollten, dass sie einerseits den n-seitigen Elektrodenstrukturen möglichst wenig Kontaktfläche bieten, jedoch andererseits so, dass sie das korrekte Falten der n-seitigen-Elektrodenstrukturen ermöglichen.Furthermore, the respective protruding structures should be adapted in their dimensions so that they can exert sufficient pressure on the n-side electrode structures, whereby the protruding structures of the forming system should be selected so that, on the one hand, they offer the n-side electrode structures as little contact area as possible, but on the other hand so that they enable the correct folding of the n-side electrode structures.

Bevorzugt ist es, wenn die Breite und Länge der jeweiligen hervorstehenden Struktur auf der Formgebungslage geringer ist als die Breite und Länge der jeweils zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur. Die hervorstehenden Strukturen sollten also insbesondere eine nicht zu große Breite und eine zumindest nicht zu geringe Länge haben.It is preferred if the width and length of the respective protruding structure on the shaping layer is smaller than the width and length of the respectively associated n-side electrode structure. The protruding structures should therefore in particular not have too great a width and at least not too short a length.

Dabei bedeutet nicht zu große Breite, dass die Breite bevorzugt zwischen 30% und 90%, mehr bevorzugt zwischen 35% und 80%, besonders bevorzugt zwischen und 40% und 70%, insbesondere bevorzugt zwischen 45% und 60% der Breite der jeweiligen (zugeordneten) n-seitigen Elektrodenstruktur beträgt. Nicht zu geringe Länge bedeutet, dass sie gleich lang oder weniger lang wie die jeweiligen (zugeordneten) n-seitigen Elektrodenstrukturen sind, aber zumindest ausreichend lang, um die jeweiligen n-seitige Elektrodenstrukturen anzuheben, wobei idealerweise die Länge wenigstens 50%, bevorzugt wenigstens 70%, besonders bevorzugt wenigstens 85% aber weniger als 100% der Länge bevorzugt weniger als 95% der Länge der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstruktur beträgt.In this case, a width that is not too great means that the width is preferably between 30% and 90%, more preferably between 35% and 80%, particularly preferably between 40% and 70%, especially preferably between 45% and 60% of the width of the respective (assigned) n-side electrode structure. A length that is not too small means that they are the same length or less long than the respective (assigned) n-side electrode structures, but at least long enough to raise the respective n-side electrode structures, wherein ideally the length is at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 85% but less than 100% of the length, preferably less than 95% of the length of the respective n-side electrode structure.

In einigen Varianten der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, wenn die Länge der hervorstehenden Strukturen 90% der n-seitigen-Elektrodenstruktur entspricht und die Breite 50%. Um die Kontaktflächen zu verringern, können die hervorstehenden Strukturen als Quader mit Unterschnitt konstruiert werden.In some variants of the present invention, it is preferred if the length of the protruding structures corresponds to 90% of the n-side electrode structure and the width 50%. In order to reduce the contact areas, the protruding structures can be constructed as cuboids with an undercut.

Die Höhe jeder der jeweiligen hervorstehenden Struktur ist bevorzugt mindestens halb so hoch, bevorzugt zwischen 55% und 80% so hoch, wie die Länge der jeweiligen zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur.The height of each of the respective protruding structures is preferably at least half as high, preferably between 55% and 80% as high, as the length of the respective associated n-side electrode structure.

In manchen bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung haben alle n-seitigen Elektrodenstrukturen eine Elektrodenstrukturlage die gleichen Abmessungen und ebenfalls alle hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage die gleichen Abmessungen, die in Ihren Abmessungen und Ihren Positionen auf die Abmessungen und Positionen der n-seitigen Elektrodenstrukturen adaptiert sind.In some preferred embodiments of the present invention, all n-side electrode structures of an electrode structure layer have the same dimensions and also all protruding structures of the shaping layer have the same dimensions, which are adapted in their dimensions and positions to the dimensions and positions of the n-side electrode structures.

In Schritt E) werden die zusammengefügten Lagen auf eine Temperatur erhitzt, die eine dauerhafte Formgebung der aufgerichteten n-seitigen Elektrodenstrukturen bewirkt. Für den Fall, dass die 2D-Elektrodenstrukturlage auf einen thermoplastischen Material, wie bevorzugt Parylen-C oder Polyimid, insbesondere Parylen-C, beruhen, wird auf eine Temperatur erhöht, die über der Glastemperatur der Polymermaterialien aber unter deren Schmelzpunkt liegt.In step E), the joined layers are heated to a temperature that causes a permanent shaping of the erected n-side electrode structures. In the case that the 2D electrode structure layer is based on a thermoplastic material, such as preferably parylene-C or polyimide, in particular parylene-C, the temperature is increased to a temperature that is above the glass temperature of the polymer materials but below their melting point.

Für den Fall, dass Duroplasten eingesetzt werden, also noch eine Aushärtung erfolgen soll, wird auf eine Temperatur erhöht, bei der die enthaltenen Initiatoren spalten, oder bei der die Vernetzungsreaktion abläuft.In the case that thermosets are used, i.e. curing is still to take place, the temperature is increased to a point at which the initiators contained split or at which the cross-linking reaction takes place.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist bevorzugt auch ein Gegenstand die Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage bevorzugt umfassend folgende Verfahrensschritte oder hieraus bestehend:

  • 1) Bereitstellung einer ersten flexiblen Substratschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf einem Trägersubstrat;
  • 2) Aufbringen einer strukturierten Basismetallschicht umfassend Leiterbahnen und Elektrodenflächen auf die erste flexible Substratschicht;
  • 3) optional Aufbringen einer flexiblen Zwischenschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht, umfassend die Unterschritte:
    • 3a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die flexible Zwischenschicht,
    • 3b) Freilegen definierter Bereiche der Basismetallschicht, bevorzugt über reaktives Ionenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche,
    • 3c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske,
    • 3d) Einbringen einer zweiten Metallschicht in die freigelegten Stellen der flexiblen Zwischenschicht;
  • 4) Aufbringen einer Passivierungsschicht, bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht oder die flexible Zwischenschicht;
  • 5) Strukturierung der Passivierungsschicht umfassend die Unterschritte:
    • 5a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die Passivierungsschicht,
    • 5b) Freilegen definierter Bereiche der Passivierungsschicht, bevorzugt über reaktives Ionenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche, optional, insbesondere falls Schritt 3) nicht durchgeführt wurde, mehrmalig,
    • 5c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske;
  • 6) Entfernen des Trägersubstrats;
  • 7) falls kein Schritt 3) vollführt wurde, Einbringen eines Beschichtungsmaterials in die freigelegten Bereiche der Passivierungsschicht und auf die freigelegten Bereiche der Elektrodenoberflächen.
Within the scope of the present invention, the production of the 2D electrode structure layer preferably comprises or consists of the following process steps:
  • 1) providing a first flexible substrate layer, preferably made of a thermoplastic material, on a carrier substrate;
  • 2) applying a structured base metal layer comprising conductor tracks and electrode surfaces to the first flexible substrate layer;
  • 3) optionally applying a flexible intermediate layer, preferably made of a thermoplastic material, to the structured base metal layer, comprising the substeps:
    • 3a) Applying a mask, preferably an etching mask, to the flexible intermediate layer,
    • 3b) Exposing defined areas of the base metal layer, preferably by reactive ion etching, of the areas defined by the mask to be removed,
    • 3c) Removal of the mask, preferably etching mask,
    • 3d) introducing a second metal layer into the exposed areas of the flexible intermediate layer;
  • 4) Applying a passivation layer, preferably made of a thermoplastic material, to the structured base metal layer or the flexible intermediate layer;
  • 5) Structuring of the passivation layer comprising the sub-steps:
    • 5a) Applying a mask, preferably an etching mask, to the passivation layer,
    • 5b) Exposing defined areas of the passivation layer, preferably by reactive ion etching, of the areas defined by the mask to be removed, optionally, especially if step 3) has not been carried out, several times,
    • 5c) Removal of the mask, preferably etching mask;
  • 6) Removing the carrier substrate;
  • 7) If step 3) has not been performed, applying a coating material to the exposed areas of the passivation layer and to the exposed areas of the electrode surfaces.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Herstellung der 2D-Elektrodenstrukturlage Teil des Verfahrens zur Herstellung der dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen ist.It is particularly preferred if the production of the 2D electrode structure layer is part of the process for producing the three-dimensionally structured electrode layers.

Schritt 2) erfolgt bevorzugt durch

  • 2a) Aufbringen und anschließendes selektives Belichten eines Fotolacks, zum Beispiel mithilfe einer Belichtungsmaske,
  • 2b) Entfernen der belichteten oder nichtbelichteten Bereiche, abhängig davon, ob ein positiver oder negativer Fotolack eingesetzt wird,
  • 2c) Metallabscheidung in den freigelegten Bereichen.
Step 2) is preferably carried out by
  • 2a) Applying and then selectively exposing a photoresist, for example using an exposure mask,
  • 2b) Removal of the exposed or unexposed areas, depending on whether a positive or negative photoresist is used,
  • 2c) Metal deposition in the exposed areas.

Dies sind fachübliche Schritte, die dem Fachmann ohne weiteres geläufig sind und daher nicht weiter beschrieben werden müssen.These are standard steps that are readily familiar to the expert and therefore do not need to be described further.

Die Basismetallschicht, also die strukturierte leitende Schicht kann dabei auf verschiedene Art und Wise strukturiert sein. Meist sind es (mehr oder weniger) gerade Leiterbahnen, die mit den Elektrodenflächen verbunden sind. Wie bereits angedeutet, können es aber auch mäandernde Strukturen sein, um zum Beispiel den Stress während des Biegens besser aushalten zu können. Andere erfindungsgemäß mögliche Strukturen sind gitterförmige Ausführungen.The base metal layer, i.e. the structured conductive layer, can be structured in different ways. Usually there are (more or less) straight conductor tracks that are connected to the electrode surfaces. As already indicated, there can also be meandering structures, for example to better withstand the stress during bending. Other structures possible according to the invention are grid-shaped designs.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die erste Substratschicht eine Dicke von 0,5 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 2 µm bis 8 µm, weiter bevorzugt 4 µm bis 6 µm und insbesondere 5 µm, auf.In preferred variants of the present invention, the first substrate layer has a thickness of 0.5 µm to 10 µm, particularly preferably 2 µm to 8 µm, further preferably 4 µm to 6 µm and in particular 5 µm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die Zwischenschicht eine Dicke von 0,1 µm bis 4 µm, besonders bevorzugt 0,2 µm bis 3 µm, weiter bevorzugt 0,3 µm bis 2 µm und insbesondere 0,5 µm bis 1 µm, auf.In preferred variants of the present invention, the intermediate layer has a thickness of 0.1 µm to 4 µm, particularly preferably 0.2 µm to 3 µm, further preferably 0.3 µm to 2 µm and in particular 0.5 µm to 1 µm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die Passivierungsschicht eine Dicke von 0,5 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt 2 µm bis 8 µm, weiter bevorzugt 4 µm bis 6 µm und insbesondere 5 µm, auf.In preferred variants of the present invention, the passivation layer has a thickness of 0.5 µm to 10 µm, particularly preferably 2 µm to 8 µm, further preferably 4 µm to 6 µm and in particular 5 µm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist erste Basismetallschicht eine Gesamtdicke von 50 nm bis 170 nm, besonders bevorzugt 100 nm bis 150 nm, weiter bevorzugt 110 nm bis 140 nm und insbesondere 120 nm bis 130 nm, auf.In preferred variants of the present invention, the first base metal layer has a total thickness of 50 nm to 170 nm, particularly preferably 100 nm to 150 nm, further preferably 110 nm to 140 nm and in particular 120 nm to 130 nm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist zweite Metallschicht eine Dicke von 80 nm bis 140 nm, besonders bevorzugt 90 nm bis 130 nm, weiter bevorzugt 100 nm bis 120 nm und insbesondere 110 nm, auf.In preferred variants of the present invention, the second metal layer has a thickness of 80 nm to 140 nm, particularly preferably 90 nm to 130 nm, further preferably 100 nm to 120 nm and in particular 110 nm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die aufgetragene Elektrodenbeschichtung eine Dicke zwischen 50 nm und 1000 nm auf. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die tatsächliche Dicke insbesondere in Abhängigkeit von gewünschter Leitfähigkeit und vom gewählten Material (sowie weitern gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel Materialfestigkeit o.ä.) ausgewählt wird.In preferred variants of the present invention, the applied electrode coating has a thickness of between 50 nm and 1000 nm. It is further preferred if the actual thickness is selected in particular depending on the desired conductivity and the selected material (as well as other desired properties, such as material strength or the like).

In manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über Rotationsbeschichtung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies PEDOT:PSS ist, eine Dicke zwischen 350 nm und 1000 nm, bevorzugt zwischen 400 nm und 950 nm, auf.In some preferred variants of the present invention, the electrode coating applied by spin coating, especially if it is PEDOT:PSS, has a thickness between 350 nm and 1000 nm, preferably between 400 nm and 950 nm.

In anderen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über galvanische Abscheidung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies PEDOT:PSS ist, eine Dicke zwischen 100 nm und 700 nm, bevorzugt zwischen 130 nm und 600 nm, auf.In other preferred variants of the present invention, the electrode coating applied by electrodeposition, in particular if it is PEDOT:PSS, has a thickness between 100 nm and 700 nm, preferably between 130 nm and 600 nm.

In weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die über galvanische Abscheidung aufgetragene Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies Iridiumoxid ist, eine Dicke zwischen 80 nm und 140 nm, bevorzugt zwischen 98 nm und 118 nm, auf.In further preferred variants of the present invention, the electrode coating applied by galvanic deposition, in particular if it is iridium oxide, has a thickness between 80 nm and 140 nm, preferably between 98 nm and 118 nm.

In noch weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weist die mittels Sputtern aufgetragen Elektrodenbeschichtung, insbesondere, wenn dies SIROF (aufgesputterte Iridiumoxidfilme) sind, eine Dicke zwischen 200 nm und 550 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 500 nm, auf.In still further preferred variants of the present invention, the electrode coating applied by sputtering, in particular when it is SIROF (sputtered iridium oxide films), has a thickness between 200 nm and 550 nm, preferably between 250 nm and 500 nm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird das Material der 2D-Elektrodenstrukturlage vor oder nach den Schritten 1) bis 8) an n-1 Seiten der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen das Material der 2D-Elektrodenstrukturlage ganz oder teilweise durchtrennt, bevorzugt wie oben beschrieben.In preferred variants of the present invention, the material of the 2D electrode structure layer is applied to n-1 sides of the respective n-sided electrode structures before or after steps 1) to 8). the material of the 2D electrode structure layer is completely or partially severed, preferably as described above.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung wird umfasst die erste Substratschicht der Elektrodenstrukturlage einen dünnen Metallfilm oder ein thermoplastisches Material oder besteht daraus. Wesentlich ist hierbei, dass diese Materialien formbar sind, wenn sie auf Temperaturen oberhalb ihrer Glastemperatur erhitzt werden. Aufgrund der hohen Temperaturen ordnen sich die Kettenstrukturen der amorphen Regionen des PaC um, wodurch sich das Material erweicht und eine Umformung ermöglicht wird. Das polymere Material wird dann die neue Form beim Abkühlen und Entfernen der Form (Formgebungslage und gegebenenfalls Anpresslage) die neue Form beibehalten. Abhängig vom genau eingesetzten Material kann es sein, dass beim Abkühlen eine langsame Temperaturrampe nötig ist, um Schäden des thermoplastischen Materials aufgrund von thermischem und mechanischem Stress zu vermeiden. Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung wichtig, dass das thermoplastische Material eine niedrigere Schmelztemperatur hat als die Glasübergangstemperatur des Materials der Formgebungslage.In preferred variants of the present invention, the first substrate layer of the electrode structure layer comprises or consists of a thin metal film or a thermoplastic material. It is important here that these materials are moldable when heated to temperatures above their glass transition temperature. Due to the high temperatures, the chain structures of the amorphous regions of the PaC rearrange themselves, softening the material and enabling deformation. The polymeric material will then retain the new shape when cooling and removing the mold (molding layer and optionally pressing layer). Depending on the exact material used, a slow temperature ramp may be necessary during cooling in order to avoid damage to the thermoplastic material due to thermal and mechanical stress. It is important in the context of the present invention that the thermoplastic material has a lower melting temperature than the glass transition temperature of the material of the molding layer.

Die Materialien für die Metallfilme der Elektrodenstrukturlage werden in manchen bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gold, Platin, Titan, Lauminium, und Mischungen und Legierungen davon.The materials for the metal films of the electrode structure layer are selected in some preferred variants of the present invention from the group consisting of gold, platinum, titanium, aluminum, and mixtures and alloys thereof.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass in verschiedenen Varianten der vorliegenden Erfindung zur Unterstützung der Herstellung die Oberflächen der Formgebungslagen mit einem dünnen Metallfilm, Wasser oder einer Seife, einer Seife, wie zum Beispiel micro90, oder Silanen als Antihaftbeschichtung beschichtet werden können, damit die an die Formgebung anschließende Trennung von Formgebungslage und Elektrodenstrukturlage effektiver und sicherer (also insbesondere ohne dass sie aneinander haften/kleben) erfolgen kann.In this context, it should be mentioned that in various variants of the present invention, to assist in production, the surfaces of the shaping layers can be coated with a thin metal film, water or a soap, a soap such as micro90, or silanes as a non-stick coating so that the separation of the shaping layer and the electrode structure layer following shaping can be carried out more effectively and safely (i.e. in particular without them sticking/adhering to one another).

Weiterhin wird das thermoplastische Material bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Parylen-C (PaC), Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET), Polymilchsäure (PLA), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polystyrol (PS) und Mischungen davon, besonders bevorzugt Parylen-C oder Polyimid, insbesondere Parylen-C. Beispiele für kommerziell erhältliche, im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Produkte sind Parylene Dimer DPX-C der Firma Specialty Coating Systems, Inc., sowie PI-2611 und PI-2610 der Firma HD Microsystems.Furthermore, the thermoplastic material is preferably selected from the group consisting of parylene-C (PaC), polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polylactic acid (PLA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polystyrene (PS) and mixtures thereof, particularly preferably parylene-C or polyimide, in particular parylene-C. Examples of commercially available products that can be used in the context of the present invention are Parylene Dimer DPX-C from Specialty Coating Systems, Inc., and PI-2611 and PI-2610 from HD Microsystems.

Bei Aussicht auf biomedizinische Anwendungen ist es bevorzugt die genannten thermoplastischen Materialien, insbesondere PaC und PI wegen geprüfter Biokompatibilität für invasive medizinische Produkte, einzusetzen.When biomedical applications are considered, it is preferable to use the thermoplastic materials mentioned above, especially PaC and PI due to their proven biocompatibility for invasive medical products.

Die Materialien der Formgebungslage, im Falle von Polymeren, weisen eine Glasübergangstemperatur und einem Schmelzpunkt auf, die höher sind als diejenigen des für die 2D-Elektrodenstrukturlage (das Kirigami-Design) verwendeten Materials. Weitere alternative Materialien für die Formgebungslage sind fotostrukturierbare Lacke auf Epoxidbasis, wie zum Beispiel SU-8. Außerdem kann auch eine metallene Formgebungslage verwendet werden. Weitere alternative Methoden zur Strukturierung der Formgebungslage sind Fotolithographie, Stepperlithographie, maskenlose Lithographie wie Elektronenstrahllithographie oder direkte Laserschreiblithographie, Nanoimprinting, Heißprägen, chemisches/photochemisches Fräsen oder Ätzen mit hohem Aspektverhältnis (trocken und nass).The materials of the molding layer, in case of polymers, have a glass transition temperature and melting point that are higher than those of the material used for the 2D electrode structure layer (the kirigami design). Other alternative materials for the molding layer are photo-imageable epoxy-based resists such as SU-8. In addition, a metal molding layer can also be used. Other alternative methods for patterning the molding layer are photolithography, stepper lithography, maskless lithography such as electron beam lithography or direct laser writing lithography, nanoimprinting, hot stamping, chemical/photochemical milling or high aspect ratio etching (dry and wet).

Gleichwohl sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Materialien einsetzbar, solange diese keine giftigen Inhaltsstoffe enthalten. Beispiele für weitere verwendbare Materialien sind Quarz, Keramik, Metalle.However, other materials can also be used within the scope of the present invention, as long as they do not contain any toxic ingredients. Examples of other materials that can be used are quartz, ceramics, and metals.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung umfasst die Formgebungslage Metall, Kunststoff oder 3D-gedrucktes Material oder besteht daraus, bevorzugt ausgehend von mittels 2-Photonenpolymerisation druckbarem Material, besonders bevorzugt auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten oder auf Basis von fotostrukturierbaren Epoxidharzen, besonders Bisphenol A-Novolak-Epoxide, oder auch auf Basis von Mischungen davon.In preferred variants of the present invention, the shaping layer comprises or consists of metal, plastic or 3D-printed material, preferably starting from material that can be printed by means of 2-photon polymerization, particularly preferably based on (meth)acrylates that cure via radical polymerization or on the basis of photostructurable epoxy resins, in particular bisphenol A novolac epoxies, or also on the basis of mixtures thereof.

Kommerziell erhältliche Beispiele sind die unter der Bezeichnung IP-S (von der Firma NanoScribe GmbH) erhältlichen Fotopolymere, zum Beispiel IP-S 780, oder SU-8 der Firma Microchem Corp .Commercially available examples are the photopolymers available under the name IP-S (from NanoScribe GmbH), for example IP-S 780, or SU-8 from Microchem Corp.

In weiteren Varianten der vorliegenden Erfindung kann die Formgebungslage Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff, Quarz, Keramik und Mischungen davon umfassen oder daraus bestehen.In further variants of the present invention, the shaping layer may comprise or consist of materials selected from the group consisting of metal, plastic, quartz, ceramic and mixtures thereof.

Für die Formgebungslage kann in weiter bevorzugten Varianten insbesondere das Photopolymer IP-S verwendet und mittels Zwei-Photonen-Polymerisation fotostrukturiert werden.In further preferred variants, the photopolymer IP-S can be used in particular for the shaping layer and can be photostructured by means of two-photon polymerization.

Die Grundebene der Formgebungslage an sich hat in bevorzugten Ausführungsformen eine Dicke von 10 µm bis 40 µm, zum Beispiel 20 µm. Die hervorstehenden Strukturen haben Höhen (ausgehend von der Ebene) abhängig von den jeweiligen anzuhebenden n-seitigen Elektrodenstrukturen und können in einigen bevorzugten Varianten zwischen 200 µm und 1200 µm, bevorzugt zwischen 300 µm und 1100 µm liegen.The base plane of the shaping layer itself has a thickness of 10 µm to 40 µm, for example 20 µm, in preferred embodiments. The protruding structures have heights (from starting from the plane) depends on the respective n-side electrode structures to be raised and can, in some preferred variants, be between 200 µm and 1200 µm, preferably between 300 µm and 1100 µm.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren umfassen:

  • B1) Bereitstellen einer Anpresslage.
Furthermore, the method according to the invention can comprise:
  • B1) Providing a contact pressure layer.

In diesem Fall ändern sich die Schritte C) und D), d.h. erweitern sich um die Anpresslage und ihren Einsatz, wie folgt:

  • C1) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage und der Formgebungslage sowie der Anpresslage, so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen der 2D-Elektrodenstrukturlage zugeordnet sind und so, dass 2D-Elektrodenstrukturlage zwischen Formgebungslage und Anpresslage angeordnet ist;
  • D1) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und der Anpresslage, wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen der Formgebungslage aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage herausgedrückt und angehoben werden.
In this case, steps C) and D) change, i.e. they are extended to include the contact pressure and its use, as follows:
  • C1) aligning the flexible 2D electrode structure layer and the shaping layer as well as the pressing layer such that the respective protruding structures of the shaping layer are assigned to respective n-side electrode structures of the 2D electrode structure layer and such that the 2D electrode structure layer is arranged between the shaping layer and the pressing layer;
  • D1) Pressing together the 2D electrode structure layer, the forming layer and the pressing layer, wherein the n-side electrode structures are pressed out of the plane of the 2D electrode structure layer and lifted by the respective protruding structures of the forming layer.

Die Materialien für die Anpresslage können im Rahmen der vorliegenden Erfindung aus den gleichen Materialien ausgewählt werden, die für die Formgebungslage genannt sind. In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung bestehen Anpresslage und Formgebungslage aus dem gleichen Material.Within the scope of the present invention, the materials for the pressing layer can be selected from the same materials that are mentioned for the shaping layer. In preferred variants of the present invention, the pressing layer and the shaping layer are made of the same material.

Die Grundebene der Anpresslage an sich hat in bevorzugten Ausführungsformen eine Dicke von 10 µm bis 40 µm, zum Beispiel 20 µm. Die herausragenden Elemente, also Rand, Stege, etc., haben Höhen (ausgehend von der Ebene) abhängig von den jeweiligen anzuhebenden n-seitigen Elektrodenstrukturen und können in einigen bevorzugten Varianten zwischen 200 µm und 1200 µm, bevorzugt zwischen 300 µm und 1100 µm liegen.In preferred embodiments, the base plane of the pressure layer itself has a thickness of 10 µm to 40 µm, for example 20 µm. The protruding elements, i.e. edges, webs, etc., have heights (starting from the plane) depending on the respective n-side electrode structures to be raised and can, in some preferred variants, be between 200 µm and 1200 µm, preferably between 300 µm and 1100 µm.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung umfasst die Elektrodenstrukturlage Parylen-C oder besteht, abgesehen von den Metallen der Leiterbahnen und Elektrodenflächen, daraus und umfasst die Formgebungslage IP-S oder besteht daraus, und, falls vorhanden, umfasst die Anpresslage IP-S oder besteht daraus.In preferred variants of the present invention, the electrode structure layer comprises or consists of parylene-C, apart from the metals of the conductor tracks and electrode surfaces, and the shaping layer comprises or consists of IP-S, and, if present, the pressing layer comprises or consists of IP-S.

In Varianten der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden noch mit Materialien wie PEDOT:PSS oder Iridiumoxid (IrOx) beschichtet, um ihre elektrochemischen Eigenschaften zu verbessern. Zum Beispiel, und in manchen Ausführungsformen bevorzugt, können dies gesputtertes Iridiumoxid (SIROFs), elektrolytisch abgeschiedenes PEDOT:PSS oder elektrolytisch abgeschiedenes IrOx sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Herstellungsmethoden beschränkt und viele weitere sind möglich, beispielsweise, und in manchen Ausführungsformen ebenfalls bevorzugt, Spin-Beschichtung von PEDOT:PSS, bei dem zum Beispiel ein Schablonenverfahren (Lift-off-Technik mit Opferschicht) oder ein Trockenätzverfahren verwendet werden kann.In variants of the present invention, the electrodes are further coated with materials such as PEDOT:PSS or iridium oxide (IrO x ) to improve their electrochemical properties. For example, and in some embodiments preferably, these can be sputtered iridium oxide (SIROFs), electrodeposited PEDOT:PSS or electrodeposited IrO x . However, the invention is not limited to these manufacturing methods and many more are possible, for example, and in some embodiments also preferred, spin coating of PEDOT:PSS, in which for example a stencil process (lift-off technique with sacrificial layer) or a dry etching process can be used.

In bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden ganz oder teilweise mit leitfähigen Materialien beschichtet, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PEDOT:PSS, Iridiumoxid und Mischungen davon.In preferred variants of the present invention, the electrodes are completely or partially coated with conductive materials, preferably selected from the group consisting of PEDOT:PSS, iridium oxide and mixtures thereof.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in Varianten bevorzugt, dass an mindestens einem Rand der 2D-Elektrodenstrukturlage Elektroden oder Anschlüsse vorgesehen sind, um die Verbindung der erfindungsgemäß erhältlichen/erhaltenen dreidimensional strukturierten Elektrodenlage mit weiteren Instrumenten zu ermöglichen. Diese können bei der Herstellung der 2D-Elektrodensstrukturlage im Rahmen der Metallisierung angelegt werden, oder auch später zusätzlich, zum Beispiel durch auflöten, anklemmen oder ähnliches.Within the scope of the present invention, it is preferred in variants that electrodes or connections are provided on at least one edge of the 2D electrode structure layer in order to enable the connection of the three-dimensionally structured electrode layer obtainable/obtained according to the invention to other instruments. These can be applied during the manufacture of the 2D electrode structure layer as part of the metallization, or also later in addition, for example by soldering, clamping or the like.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in Varianten bevorzugt, dass die n-seitigen Elektrodenstrukturen jeweils unabhängig voneinander eine oder mehrere Einzelelektrodenflächen, zum Beispiel punktförmige, umfassen. Bevorzugt ist es, wenn jeweils mehrere Elektrodenflächen vorhanden sind.Within the scope of the present invention, it is preferred in variants that the n-side electrode structures each independently comprise one or more individual electrode surfaces, for example point-shaped ones. It is preferred if several electrode surfaces are present in each case.

In bevorzugten Varianten können 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 oder 32 oder noch mehr Elektrodenflächen pro Elektrodenstruktur (jeweils unabhängig voneinander) vorhanden sein, bevorzugt 2 bis 32, besonders bevorzugt 3 bis 20 und insbesondere 4 oder 16.In preferred variants, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 or 32 or even more electrode surfaces per electrode structure (each independently of one another) can be present, preferably 2 to 32, particularly preferably 3 to 20 and in particular 4 or 16.

In besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen 32 4-seitige Elektrodenstrukturen von 225 µm Länge und 50 µm Breite auf, die jeweils 4 Elektrodenflächen aufweisen, wobei die unterste der vier einen Durchmesser von 25 µm aufweist und die übrigen drei einen Durchmesser von 15 µm.In particularly preferred variants of the present invention, the three-dimensionally structured electrode layers have 32 4-sided electrode structures of 225 µm length and 50 µm width, each having 4 electrode surfaces, the lowest of the four having a diameter of 25 µm and the remaining three having a diameter of 15 µm.

In anderen besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung weisen die dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen 4-seitige Elektrodenstrukturen von 1000 µm bis 1500 µm Länge auf, die jeweils 16 Elektrodenflächen mit einem Durchmesser von 15 µm aufweisen.In other particularly preferred variants of the present invention, the three-dimensionally structured electrode layers have 4-sided electrode structures of 1000 µm to 1500 µm in length, each having 16 electrode surfaces with a diameter of 15 µm.

Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es oben beschrieben ist.The present invention further relates to three-dimensionally structured electrode layers produced by a method according to the invention as described above.

Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Implantate oder Neuroimplantate umfassend dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen gemäß der vorliegenden Erfindung oder bestehend aus diesen.Yet another object of the present invention are implants or neuroimplants comprising three-dimensionally structured electrode layers according to the present invention or consisting of these.

Nicht zuletzt Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen gemäß vorliegender Erfindung als oder für Implantate oder Neuroimplantate, insbesondere intraretinale 3D-Implantate oder intrakortikale/kortikale 3D-Implantate, zur Messung elektrochemischer Eigenschaften, zur Messung physikalischer Eigenschaften, beim Biosensing, oder zur Impedanzmessung.Last but not least, the present invention relates to the use of three-dimensionally structured electrode layers according to the present invention as or for implants or neuroimplants, in particular intraretinal 3D implants or intracortical/cortical 3D implants, for measuring electrochemical properties, for measuring physical properties, in biosensing, or for impedance measurement.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann genutzt werden (und wurde schon dazu genutzt), um dreidimensionale, flexible neuronale Implantate (Neuroimplantate) für den dreidimensionalen Raum der Retina (KiriRet) oder des Cortex (KiriCor) herzustellen. Parylen-C (PaC) ist ein Material, welches in diesem Zusammenhang in manchen Varianten bevorzugt als Substrat und zur Einkapselung dienen kann. Die strukturierte Basismetallschicht ist in manchen bevorzugten Varianten mit Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und bis zu 128 Ti/Au-Elektroden, die an ihren Öffnungen mit PEDOT:PSS oder Iridiumoxid beschichtet sind, strukturiert.The method according to the invention can be used (and has already been used) to produce three-dimensional, flexible neural implants (neuroimplants) for the three-dimensional space of the retina (KiriRet) or the cortex (KiriCor). Parylene-C (PaC) is a material which in some variants can preferably serve as a substrate and for encapsulation in this context. In some preferred variants, the structured base metal layer is structured with Ti/Au/Ti conductor tracks and up to 128 Ti/Au electrodes, which are coated with PEDOT:PSS or iridium oxide at their openings.

Mit den erfindungsgemäßen Implantaten (Neuroimplantaten) können in-vitro sowie in manchen Fällen in-vivo Signale von neuronalen Zellen gemessen und gleichzeitig gezielt Zellen stimuliert werden.With the implants according to the invention (neuroimplants), signals from neuronal cells can be measured in vitro and, in some cases, in vivo and at the same time, cells can be stimulated in a targeted manner.

Das Design des KiriRet-Implantats besteht in bevorzugten Varianten aus 32 Schäften, die jeweils 50 µm breit und 225 µm lang sind. Ein Schaft besitzt in bevorzugten Varianten jeweils vier Elektroden; mit einem Durchmesser von 25 µm für die Elektrode, die am weitesten von der Elektrodenstrukturlage entfernt ist, welche die zur elektrischen Stimulation genutzt wird, beziehungsweise von 15 µm für die übrigen Elektroden. Je nach Anwendung des Implantats kann die Breite, Länge und der Elektrodendurchmesser sowie die Elektrodenanzahl im Rahmen der vorliegenden Erfindung in weiten Bereichen variiert werden. So sind KiriCor-Implantate in bevorzugten Varianten 1000 µm bis 1500 µm lang und die Elektroden haben einen Durchmesser von 15 µm, so dass auf jeden Schaft bis zu 16 Elektroden passen. Zusätzlich können die Implantate in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens eine, bevorzugte genau eine, interne Referenzelektrode, um elektrophysiologischer oder elektrochemischer Messungen durchzuführen, enthalten.The design of the KiriRet implant consists in preferred variants of 32 shafts, each 50 µm wide and 225 µm long. In preferred variants, each shaft has four electrodes; with a diameter of 25 µm for the electrode that is furthest away from the electrode structure layer used for electrical stimulation, or 15 µm for the other electrodes. Depending on the application of the implant, the width, length and electrode diameter as well as the number of electrodes can be varied within the scope of the present invention within a wide range. For example, in preferred variants, KiriCor implants are 1000 µm to 1500 µm long and the electrodes have a diameter of 15 µm, so that up to 16 electrodes fit on each shaft. In addition, in some preferred embodiments of the present invention, the implants can contain at least one, preferably exactly one, internal reference electrode in order to carry out electrophysiological or electrochemical measurements.

Die Implantate werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt durch Oberflächenmikrobearbeitung und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hergestellt, um die 2D-Form und die Ausschnitte für das Falten zu erzeugen.In the context of the present invention, the implants are preferably manufactured by surface micromachining and microelectromechanical systems (MEMS) to create the 2D shape and the cutouts for folding.

In solchen bevorzugten Ausgestaltungen wird insbesondere zunächst eine 5 µm dicke PaC-Schicht auf einem Si-Wafer aufgebracht und mit einer Ti/Au/Ti-Schicht für Leiterbahnen, Elektroden und Kontaktflächen strukturiert. Dann wird eine zweite 5 µm dicke PaC-Schicht zur Einkapselung aufgebracht. Im nächsten Schritt werden die Faltungsausschnitte sowie die Elektroden und Kontaktflächen geöffnet. Anschließend wird die 2D-Probe vom Si-Substrat gelöst und auf eine Leiterplatte gelötet/fixiert; in manchen bevorzugten Varianten per Wende-Montage. Ein Beispiel hierfür ist das Flip-Chip-Verfahren. In diesen Varianten kann das Flip-Chip-Verfahren so ablaufen, dass zunächst die Leiterplatte mithilfe einer Heizplatte (auf 180°C) erhitzt und Niedertemperatur-Lötlegierung aufgebracht wird; die 2D-Proben dann vom Si-Substrat mithilfe von Wasser gelöst werden; währenddessen die Heizplatte (auf 160°C) abgekühlt wird und dann die 2D-Sonde mit ihren Kontaktflächen auf der Leiterplatte fixiert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können statt dieses speziellen Flip-Chip-Verfahrens aber auch abgewandelte oder andere ähnliche, dem Fachmann bekannte Verfahren angewendet werden.In such preferred embodiments, in particular, a 5 µm thick PaC layer is first applied to a Si wafer and structured with a Ti/Au/Ti layer for conductor tracks, electrodes and contact surfaces. Then a second 5 µm thick PaC layer is applied for encapsulation. In the next step, the folding cutouts and the electrodes and contact surfaces are opened. The 2D sample is then detached from the Si substrate and soldered/fixed to a circuit board; in some preferred variants by flip assembly. An example of this is the flip-chip process. In these variants, the flip-chip process can be carried out in such a way that the circuit board is first heated using a heating plate (to 180°C) and low-temperature solder alloy is applied; the 2D samples are then detached from the Si substrate using water; during this, the heating plate is cooled (to 160°C) and then the 2D probe is fixed with its contact surfaces to the circuit board. Within the scope of the present invention, however, instead of this specific flip-chip method, modified or other similar methods known to the person skilled in the art can also be used.

Die Form zum Falten wird bevorzugt mit Hilfe einer 2-Photon-Polimerisation-Technik 3D gedruckt.The folding mold is preferably 3D printed using a 2-photon polymerization technique.

Die Form besteht dabei in machen bevorzugten Varianten aus zwei Teilen. Der untere Teil ist dann ein Array aus hervorstehenden Strukturen, insbesondere rechteckigen Blöcken mit einem pyramidalen Ende; dies ist die Formgebungslage. Die hervorstehenden Strukturen sind weiter bevorzugt zumindest halb so hoch wie die Länge der Schäfte, um diese anzuheben (eine geringere Höhe geht zwar prinzipiell auch, jedoch je nach Material der Schäfte weniger zuverlässig. Die einzelnen hervorstehenden Strukturen werden dabei so platziert, dass sie analog der entsprechenden Stelle des flexiblen 2D-Designs (der Elektrodenstrukturlage) angeordnet sind (um die Schäfte überhaupt erst hochdrücken zu können). Außerdem besitzt der untere Teil bevorzugt an den Rändern einen Rahmen, der genau der Größe der 2D-Struktur (Elektrodenstrukturlage) entspricht und so zur Ausrichtung/Justierung verwendet wird. Der obere Teil der 3D-Form in dieser Variante der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur aus einem Rahmen und Wänden in der Mitte, die bei der Platzierung auf den unteren Teil und flexiblen 2D-Struktur dazu führt, dass die Schäfte der Elektrodenstrukturen gleichmäßig gefaltet werden (indem die obere Form für ein gleichmäßiges Andrücken/Anpressen sorgt) Dies ist die optionale Anpresslage. Die Rahmen des unteren und oberen Teilstücks passen in weiter bevorzugten Ausgestaltungen wie beim Schlüssel-Schloss-Prinzip zusammen. Alternativ und in anderen Varianten der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist es aber genausogut möglich, lediglich eine einteilige Form zu verwenden, die dem eben beschriebenen unteren Teil der Form (also der Formgebungslage) entspricht. Der eben beschriebene obere Teil, welcher der Anpressung dient, kann dann durch andere Mittel und Vorrichtungen ersetzt sein, zum Beispiel stempelartige Vorrichtungen mit lediglich eine äußeren Rahmen oder einem oder mehreren vorstehenden Elementen - jeweils um die Elektrodenstrukturlage auf die Formgebungslage zu pressen - oder auch seitlich angebrachte (anzubringende) (Zug-)Klemmen oder andere Vorrichtungen, welche geeignet sind, die Elektrodenstrukturlage und die Formgebungslage so zusammen zu pressen, dass die n-seitigen Elektrodenstrukturen durch die hervorstehenden Strukturen aufgerichtet werden können.In some preferred variants, the mold consists of two parts. The lower part is then an array of protruding structures, in particular rectangular blocks with a pyramidal end; this is the shaping layer. The protruding structures are further preferably at least half as high as the length of the shafts in order to lift them (a lower height is also possible in principle, but less reliable depending on the material of the shafts). The individual protruding structures are placed in such a way that they are arranged analogously to the corresponding point of the flexible 2D design (the electrode structure layer) (in order to be able to push the shafts up in the first place). In addition, the lower part preferably has a frame on the edges that corresponds exactly to the size of the 2D structure (electrode structure layer) and is used for alignment/adjustment. The The upper part of the 3D mold in this variant of the present invention is a structure made up of a frame and walls in the middle, which, when placed on the lower part and flexible 2D structure, results in the shafts of the electrode structures being folded evenly (as the upper mold ensures even pressing/pressing). This is the optional pressing layer. In further preferred embodiments, the frames of the lower and upper sections fit together like the key-lock principle. Alternatively, and preferred in other variants of the present invention, it is just as possible to use just a one-piece mold that corresponds to the lower part of the mold just described (i.e. the shaping layer). The upper part just described, which serves for pressing, can then be replaced by other means and devices, for example stamp-like devices with only an outer frame or one or more protruding elements - in each case to press the electrode structure layer onto the shaping layer - or also laterally attached (to be attached) (tension) clamps or other devices which are suitable for pressing the electrode structure layer and the shaping layer together in such a way that the n-side electrode structures can be erected by the protruding structures.

Nach der Herstellung der 3D-Struktur (Formgebungslage) und der 2D-Probe (Elektrodenstrukturlage), werden die einzelnen Teile zusammengebracht. Die 2D-Probe wird auf die 3D-Form gelegt, um alle n-seitigen Elektrodenstrukturen gleichzeitig zu falten. Der obere Teil der 3D-Form (Anpresslage) oder eine andere Vorrichtung zum Anpressen/Zusammenpressen, helfen hier dabei, die Schäfte kontrolliert zu falten. Um die genaue Ausrichtung/Justierung der 2D-Struktur und der 3D-Form zu vereinfachen, werden in bevorzugten Ausgestaltungen Rahmen der 3D-Form genutzt.After the 3D structure (forming layer) and the 2D sample (electrode structure layer) have been produced, the individual parts are brought together. The 2D sample is placed on the 3D mold to fold all n-sided electrode structures simultaneously. The upper part of the 3D mold (pressing layer) or another device for pressing/compressing helps to fold the shafts in a controlled manner. To simplify the precise alignment/adjustment of the 2D structure and the 3D mold, frames of the 3D mold are used in preferred embodiments.

Anschließend werden die zusammengesetzten Lagen zusammen erhitzt, so dass eine thermische Fixierung der n-seitigen Elektrodenstrukturen erfolgt. Dies kann im Wesentlichen erfolgen, indem für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein thermoplastisches Material verwendet wurde, dass entsprechend eine thermoplastische Verformung erfährt, die nach dem Abkühlen erhalten bleibt. Oder es kann für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein noch nicht ausgehärteter Duroplast beziehungsweise eine noch nicht ausgehärtete duroplastische Mischung verwendet worden sein, so dass diese beim Erhitzen aushärtet und dann nach dem Abkühlen die Form erhalten bleibt. Eine Kombination ist ebenfalls denkbar. Bevorzugt ist es in manchen Varianten der vorliegenden Erfindung, wenn für die Basis der Elektrodenstrukturlage ein thermoplastisches Material genutzt wird.The assembled layers are then heated together so that the n-side electrode structures are thermally fixed. This can essentially be done by using a thermoplastic material for the base of the electrode structure layer, which accordingly undergoes a thermoplastic deformation that is retained after cooling. Or a not yet cured thermoset or not yet cured thermoset mixture can be used for the base of the electrode structure layer, so that it hardens when heated and then retains its shape after cooling. A combination is also conceivable. In some variants of the present invention, it is preferred if a thermoplastic material is used for the base of the electrode structure layer.

Nachdem die geformte, dreidimensional strukturierte Elektrodenlage von der 3D-Form getrennt ist, können in weiteren bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung die Elektroden im einem weiteren Herstellungsschritt mit elektrolytisch abgeschiedenen leitfähigen Substanzen, insbesondere bevorzugt PEDOT:PSS oder Iridiumoxid (IrOx), überzogen werden, um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Anschließend kann die fertige dreidimensional strukturierte Elektrodenlage als (Neuro-)Implantat in zum Beispiel elektrophysiologischen Experimenten genutzt werden.After the shaped, three-dimensionally structured electrode layer is separated from the 3D shape, in further preferred variants of the present invention, the electrodes can be coated with electrolytically deposited conductive substances, particularly preferably PEDOT:PSS or iridium oxide (IrO x ), in a further manufacturing step in order to improve the electrical properties. The finished three-dimensionally structured electrode layer can then be used as a (neuro)implant in, for example, electrophysiological experiments.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Nutzung verschiedener Materialien. Dazu gehören für die Herstellung der Elektrodenstrukturlage (2D-Struktur) Polyimide (PI) und Parylen-C (PaC) als Beispiele für thermoplastische Materialien. Auch für die Elektroden sind verschiedene durch Elektrodeposition oder physikalische Deposition abscheidebare leitende Materialien wie zum Beispiel PEDOT:PSS oder IrOx denkbar. Die genauen Designs/Ausgestaltungen der Elektrodenstrukturlage, der Formgebungslage und mithin der resultierenden dreidimensional strukturierten Elektrodenlage sind ebenfalls flexibel. So können für die Elektroden zum Beispiel in manchen bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Durchmesser von 10 µm bis 25 µm genutzt werden, um die Auflösung einzelner Zellen zu gewährleisten. Bei der Verwendung von kleinen Elektroden und optimierten Herstellungsprozessen sind aber auch dünnere Schäfte von weniger als 50 µm möglich und mithin in manchen anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt.The method according to the invention allows the use of various materials. These include polyimide (PI) and parylene-C (PaC) as examples of thermoplastic materials for the production of the electrode structure layer (2D structure). Various conductive materials that can be deposited by electrodeposition or physical deposition, such as PEDOT:PSS or IrO x , are also conceivable for the electrodes. The exact designs/configurations of the electrode structure layer, the shaping layer and thus the resulting three-dimensionally structured electrode layer are also flexible. For example, in some preferred embodiments of the present invention, diameters of 10 µm to 25 µm can be used for the electrodes in order to ensure the resolution of individual cells. When using small electrodes and optimized manufacturing processes, however, thinner shafts of less than 50 µm are also possible and are therefore preferred in some other embodiments of the present invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen kann genutzt werden, um dreidimensionale Kirigami-Strukturen einfach, schnell, zuverlässig und mit nur geringen Kosten herzustellen. Durch das Nutzen von selbstjustierenden Strukturen, d.h. dass die Elektrodenstrukturen durch Zusammenpressen der verschiedenen Lagen in definierte Positionen gebracht werden, ist es möglich, mehrere 3D-Sonden gleichzeitig herzustellen. Solche 3D-Sonden können zum Beispiel in elektrophysiologischen Experimenten für die Ableitung von Zellsignalen von verschiedenem Nervengewebe wie Gehirn, peripheren Nerven oder Retina, und zur elektrischen Stimulation der entsprechenden Nervenzellen genutzt werden. Ähnlich können die erfindungsgemäß hergestellten Strukturen beispielsweise Anwendung finden in/bei/für 3D-Zellkulturen und Organoide. Die Applikation ist vorteilhafter Weise nicht limitiert auf elektrophysiologische Anwendungen, sondern kann zum Beispiel auch genutzt werden, wenn es gewünscht ist, die elektrischen Eigenschaften eines dreidimensionalen-Raums im mm- oder µm-Bereich zu messen. Die Begriffe „flexible Substratschicht“, „flexible Zwischenschicht“, sowie „flexible 2D-Elektrodenstrukturlage“ können im bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung bedeuten: „Substratschicht umfassend oder bestehend aus Parylen-C oder Polyimid, gegebenenfalls mit Ti/Au-, Ti/Au/Ti-, Ti/Pt/Ti-, Ti/Au/Pt-, Ti/Au/Ti/Pt/Ti-, PEDOT:PSS-Leiterbahnen, insbesondere Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen, und - Elektrodenflächen, insbesondere bestehend aus Parylen-C mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und -Elektrodenflächen“, „Zwischenschicht umfassend oder bestehend aus Parylen-C oder Polyimid, insbesondere bestehend aus Parylen-C“, „2D-Elektrodenstrukturlage umfassend oder bestehend aus Parylen-C oder Polyimid mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und -Elektrodenflächen, insbesondere bestehend aus Parylen-C mit Ti/Au- oder Ti/Au/Ti-Leiterbahnen und -Elektrodenflächen“.The method according to the invention for producing three-dimensionally structured electrode layers can be used to produce three-dimensional Kirigami structures simply, quickly, reliably and at low cost. By using self-adjusting structures, i.e. that the electrode structures are brought into defined positions by pressing the different layers together, it is possible to produce several 3D probes at the same time. Such 3D probes can be used, for example, in electrophysiological experiments for deriving cell signals from different nerve tissues such as the brain, peripheral nerves or retina, and for electrical stimulation of the corresponding nerve cells. Similarly, the structures produced according to the invention can be used, for example, in/for/in 3D cell cultures and organoids. The application is advantageously not limited to electrophysiological applications, but can also be used, for example, if it is desired to measure the electrical properties of a three-dimensional space in the mm or µm range. The terms “flexible substrate layer”, “flexible intermediate layer” and “flexible 2D electrode structure layer” can mean in preferred variants of the present invention: “Substrate layer comprising or consisting of parylene-C or polyimide, optionally with Ti/Au, Ti/Au/Ti, Ti/Pt/Ti, Ti/Au/Pt, Ti/Au/Ti/Pt/Ti, PEDOT:PSS conductor tracks, in particular Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks, and electrode surfaces, in particular consisting of parylene-C with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces”, “Intermediate layer comprising or consisting of parylene-C or polyimide, in particular consisting of parylene-C”, “2D electrode structure layer comprising or consisting of parylene-C or polyimide with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces, in particular consisting of parylene-C with Ti/Au or Ti/Au/Ti conductor tracks and electrode surfaces”.

Die erfindungsgemäß hergestellten dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen konnten erfolgreich als intraretinale 3D-Implantate in in-vitro Experimenten und Experimenten mit Kadavern eingesetzt werden, wodurch die Funktionalität umfänglich validiert wurde.The three-dimensionally structured electrode layers produced according to the invention could be successfully used as intraretinal 3D implants in in vitro experiments and experiments with cadavers, whereby the functionality was extensively validated.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt vorteilhafter Weise weder zytotoxische Materialien noch energiereiches Equipment, welches den Hersteller oder Endverbraucher gefährden könnten. Das erfindungsgemäße rein mechanische Formgebungsverfahren ist schnell und zuverlässig, da es im Gegensatz zu anderen Methoden alle (gewünschten) Schäfte gleichzeitig und zuverlässig, bevorzugt mit einem Winkel von 90°, faltet. Die hervorgehobenen Strukturen der Formgebungslage und das gefaltete MEA beziehungsweise die gefaltete 3D-Sonde können zusammen in eine Heizumgebung gestellt werden, um die Positionen der Elektrodenstrukturen mithilfe von Thermoverformung zu fixieren.The method according to the invention advantageously uses neither cytotoxic materials nor high-energy equipment, which could endanger the manufacturer or end user. The purely mechanical forming method according to the invention is fast and reliable because, in contrast to other methods, it folds all (desired) shafts simultaneously and reliably, preferably at an angle of 90°. The highlighted structures of the forming layer and the folded MEA or the folded 3D probe can be placed together in a heating environment in order to fix the positions of the electrode structures using thermoforming.

Besonders vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es ferner, das auf sehr einfache Art und Weise, verlässlich und reproduzierbar beliebige Elektrodenstrukturen für dreidimensionale Elektrodenlagen hergestellt werden können. Durch einfach Anpassungen der ursprünglichen Designs, zum Beispiel CAD-Dateien, können Elektrodenstrukturlagen hergestellt werden, bei denen die jeweiligen Elektrodenstrukturen an beliebigen, gewünschten Positionen arrangierbar sind. zudem können die jeweiligen Dimensionen der einzelnen n-seitigen Elektrodenstrukturen leicht geändert beziehungswiese den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. So lassen sich Elektrodenlagen herstellen, die n-seitige Elektrodenstrukturen unterschiedlicher Dimensionen, zum Beispiel hinsichtlich der Länge und/oder Breite der Schäfte, aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die damit hergestellten dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen sind mithin besonders vielseitig einsetzbar.It is also particularly advantageous within the scope of the present invention that any desired electrode structures for three-dimensional electrode layers can be produced in a very simple, reliable and reproducible manner. By simply adapting the original designs, for example CAD files, electrode structure layers can be produced in which the respective electrode structures can be arranged in any desired position. In addition, the respective dimensions of the individual n-sided electrode structures can be easily changed or adapted to the respective requirements. In this way, electrode layers can be produced which have n-sided electrode structures of different dimensions, for example with regard to the length and/or width of the shafts. The method according to the invention and the three-dimensionally structured electrode layers produced using it are therefore particularly versatile.

Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen/Anlagen stehen in fachüblicher und bekannter Art und Weise miteinander in Wirkverbindung.The individual parts of the devices/systems according to the invention are operatively connected to one another in a conventional and known manner.

In bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese nicht auf die therapeutische Behandlung von Mensch oder Tier.In preferred embodiments of the present invention, this does not relate to the therapeutic treatment of humans or animals.

Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. - aber nicht ausschließlich - diejenigen der verschiedenen abhängigen Ansprüche oder einzelner in den Figuren beschriebenen Ausgestaltungen, können in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden, sofern solche Kombinationen sich nicht widersprechen.The various embodiments of the present invention, for example - but not exclusively - those of the various dependent claims or of individual embodiments described in the figures, can be combined with one another in any manner, provided that such combinations do not contradict one another.

Beispiele:Examples:

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht-limitierenden Beispiele weiter erläutert.The invention will now be further explained with reference to the following non-limiting examples.

Beispiel 1 - Herstellung von flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlagen:Example 1 - Fabrication of flexible 2D electrode structure layers:

Die Herstellung von flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage mit Kirigami-Design (mit Aussparungen aber nicht gefaltet) umfasste die aufeinanderfolgende Abscheidung von flexibler Dünnfilmschicht, einer Metallschicht, einer weiteren flexiblen Dünnfilmschicht und einer Elektrodenbeschichtung. Je nach Elektrodenbeschichtung wurden sechs bis sieben Schritte wie folgt durchgeführt. Alle Schritte (außer der PaC-Abscheidung) wurden in einer zertifizierten Reinraumumgebung durchgeführt, um eine stabile Herstellung zu gewährleisten.The fabrication of flexible 2D electrode structure layer with kirigami design (with recesses but not folded) involved the sequential deposition of flexible thin film layer, a metal layer, another flexible thin film layer and an electrode coating. Depending on the electrode coating, six to seven steps were performed as follows. All steps (except PaC deposition) were performed in a certified clean room environment to ensure stable manufacturing.

1. Abscheidung der ersten flexiblen Substratschicht1. Deposition of the first flexible substrate layer

Eine erste 5 µm dicke Schicht Parylen C (Poly(2-chlor-p-Xylylen); PaC) wurde mit einem PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA) unter Verwendung von 10 g PaC-Dimer und einem Prozessvakuumdruck von 3,33 Pa (etwa 25 mTorr) auf einem Silizium-Wafer durch chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden.A first 5 µm thick layer of parylene C (poly(2-chloro-p-xylylene); PaC) was deposited on a silicon wafer by chemical vapor deposition using a PDS 2010 Labcoater 2 (Specialty Coating Systems Inc., USA) using 10 g of PaC dimer and a process vacuum pressure of 3.33 Pa (about 25 mTorr).

2. erste Metallisierung2. first metallization

In einem zweiten Schritt wurde eine Metallisierung mit einem Lift-off-Verfahren durchgeführt. Dabei wurde die Metallbasisschicht für Kontaktflächen, Zuleitungen und Elektroden strukturiert. Zunächst wurde ein negativer Fotolack AZ LNR-003 (enthaltend unter anderem Hexakis(methoxymethyl)melamin und 1-Methoxy-2-propanolacetat; MicroChemicals GmbH, Deutschland) bei 4000 U/min für 45 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet. Gefolgt wurde dies von einem Ausbacken bei 120°C für 2 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Der Fotolack wurde dann bei 320 mJ/cm2 mit einer Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB (critical dimension bias) von 800 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm unter Verwendung einer maskenlosen Belichtungsanlage (MLA 150, Heidelberg Instruments, Deutschland) belichtet. Anschließend wurde nach der Belichtung ein Heizschritt bei 100°C für 1,5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte durchgeführt, ein Entwicklungsschritt in AZ 326 MIF (MicroChemicals GmbH, Deutschland) als Entwickler (ein Entwickler basierend auf Tetramethylammoniumhydroxid) für 1,5 Minuten und ein Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser durchgeführt. Anschließend wurde der Wafer mit einem Metall bedampft, wobei schichtweise 20 nm Ti, 100 nm Au und 10 nm Ti in einer elektronenstrahlunterstützten Verdampfungsanlage (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Deutschland) aufgedampft wurden (resultierend in einer Metallschichtfolge Ti/Au/Ti). Dabei wurden ein Wolfram-Tiegel und Abscheideraten von 0,1 nm/s für Ti bzw. 0,5 nm/s für Au verwendet. Anschließend wurde ein Lift-off-Prozess in einem Acetonbad für 2,5 Stunden durchgeführt, um das Opfermaterial und den Fotolack abzuwaschen. Nach dem Lift-Off wurde der Wafer 2 Minuten lang in Isopropanol gespült und mit einer Stickstoffpistole getrocknet.In a second step, metallization was carried out using a lift-off process. The metal base layer for contact surfaces, leads and electrodes was structured. First, a negative photoresist AZ LNR-003 (containing, among other things, hexakis(methoxymethyl) melamine and 1-methoxy-2-propanol acetate; MicroChemicals GmbH, Germany) at 4000 rpm for 45 seconds with a ramp of 500 rpm/s. This was followed by baking at 120°C for 2 minutes on a direct contact hot plate. The photoresist was then exposed to UV light of 375 nm wavelength at 320 mJ/cm 2 with a Defoc setting of 2 and a CDB (critical dimension bias) of 800 using a maskless exposure system (MLA 150, Heidelberg Instruments, Germany). After exposure, a heating step at 100°C for 1.5 minutes on a direct contact hot plate, a development step in AZ 326 MIF (MicroChemicals GmbH, Germany) as a developer (a developer based on tetramethylammonium hydroxide) for 1.5 minutes and a cleaning step in deionized water were performed. The wafer was then vapor-deposited with a metal, whereby 20 nm Ti, 100 nm Au and 10 nm Ti were deposited layer by layer in an electron beam assisted evaporation system (Balzer PLS 570, Pfeiffer, Germany) (resulting in a metal layer sequence Ti/Au/Ti). A tungsten crucible and deposition rates of 0.1 nm/s for Ti and 0.5 nm/s for Au were used. A lift-off process in an acetone bath was then carried out for 2.5 hours to wash off the sacrificial material and the photoresist. After lift-off, the wafer was rinsed in isopropanol for 2 minutes and dried with a nitrogen gun.

In anderen Ausführungen wurde der UV-Belichtungsschritt alternativ mittels Standard-UV-Fotolithographie unter Verwendung einer Breitbandbelichtungsanlage mit Maskenausrichtung (Süss MA8/BA8, Deutschland) mit einer Dosis von 100 mJ/cm2 durchgeführt.In other embodiments, the UV exposure step was alternatively performed by standard UV photolithography using a broadband exposure system with mask alignment (Süss MA8/BA8, Germany) with a dose of 100 mJ/cm 2 .

3. flexible Zwischenschicht (optional)3. flexible intermediate layer (optional)

In einigen Ausführungen wurde Schritt 3 ausgeführt, in anderen nicht. In den Fällen, in denen er nicht durchgeführt wurde, ist mit Schritt 4 fortgefahren worden. Eine zweite flexible PaC-Schicht (PaC-Zwischenschicht) mit einer Dicke von 0,5 µm bis 1 µm (1-2 g PaC-Dimer) wurde wie in Schritt 1 beschrieben abgeschieden. Anschließend wurde das PaC an den Elektrodenöffnungen durch reaktives Ionenätzen (RIE) geätzt. Dieser Prozess wird weiter unten in Schritt 5 detailliert beschrieben. Danach wurde ein zweiter Metallisierungsschritt durchgeführt, um direkt eine Elektrodenbeschichtung hinzuzufügen. Hierbei wurde ein Resiststapel aus LOR3B (MicroChem Corp, USA; ein Lack basierend auf Polydimethylglutarimid) und negativem Fotolack nLOF 2020 (MicroChemicals GmbH, Deutschland; ein negativer Fotolack enthaltend PGMEA (1-Methoxy-2-propanol-Acetat)) verwendet, um eine Abscheidungsmaske für die Elektrodenöffnungen durch Fotolithografie zu strukturieren. Dabei wurde zunächst LOR3B bei 2000 U/min für 30 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s rotationsbeschichtet, anschließend ein Ausback-Schritt bei 150°C für 5 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte durchgeführt, gefolgt von der Rotationsbeschichtung von nLOF 2020 bei 2000 U/min für 30 Sekunden mit einer Rampe von 500 U/min/s und einem Ausback-Schritt bei 110°C für 1 Minute auf einer Direktkontakt-Heizplatte. Die weiteren Schritte hingen von der Wahl des Belichtungsgeräts ab. Bei der maskenlosen Belichtungsanlage MLA150 wurde der Fotolack bei 670 mJ/cm2 mit einer Defoc-Einstellung von 0 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm belichtet. Die nach der Belichtung stattfindende Erhitzung erfolgte dann bei 102°C für 2 Minuten auf einer Direktkontakt-Heizplatte, gefolgt von einem Entwicklungsschritt in AZ326 MIF für 45 Sekunden und einem Reinigungsschritt in deionisiertem Wasser. Bei Verwendung einer Breitbandbelichtungsanlage mit Maskenausrichtung erfolgte die Belichtung mit 40 mJ/cm2, gefolgt von einem Nachbelichtungs-Backvorgang bei 110°C für 1 Minute, einer Entwicklung in AZ325 MIF für 33 Sekunden bis 35 Sekunden und einer Reinigung in deionisiertem Wasser. In some designs, step 3 was performed, in others it was not. In cases where it was not performed, step 4 was used. A second flexible PaC layer (PaC interlayer) with a thickness of 0.5 µm to 1 µm (1-2 g PaC dimer) was deposited as described in step 1. The PaC was then etched at the electrode openings by reactive ion etching (RIE). This process is described in detail below in step 5. A second metallization step was then performed to directly add an electrode coating. Here, a resist stack of LOR3B (MicroChem Corp, USA; a resist based on polydimethylglutarimide) and negative photoresist nLOF 2020 (MicroChemicals GmbH, Germany; a negative photoresist containing PGMEA (1-methoxy-2-propanol acetate)) was used to pattern a deposition mask for the electrode openings by photolithography. First, LOR3B was spin-coated at 2000 rpm for 30 seconds with a ramp of 500 rpm/s, then a bake-out step at 150°C for 5 minutes on a direct contact hotplate, followed by spin-coating of nLOF 2020 at 2000 rpm for 30 seconds with a ramp of 500 rpm/s and a bake-out step at 110°C for 1 minute on a direct contact hotplate. The subsequent steps depended on the choice of exposure equipment. Using the MLA150 maskless exposure system, the photoresist was exposed to 375 nm UV light at 670 mJ/cm 2 with a Defoc setting of 0. Post-exposure baking was then performed at 102°C for 2 minutes on a direct contact hotplate, followed by a development step in AZ326 MIF for 45 seconds and a cleaning step in deionized water. Using a broadband exposure system with mask alignment, exposure was performed at 40 mJ/cm 2 , followed by a post-exposure bake at 110°C for 1 minute, development in AZ325 MIF for 33 seconds to 35 seconds and cleaning in deionized water.

Anschließend wurden zusätzlich eine Ti-Schicht einer Dicke von 10 nm und eine Pt-Schicht einer Dicke von 100 nm aufgedampft (resultierend in einer Metallschichtfolge Ti/Pt), gefolgt von 250 nm bis 500 nm gesputterten Iridiumoxidschichten (SIROFs), die durch Sputtern mit einem Ar/O2-Gasgemisch von 100/6 sccm (Standardkubikzentimer pro Minute) und einer Gleichstromleistung von 100 W abgeschieden wurden.Subsequently, an additional Ti layer of 10 nm thickness and a Pt layer of 100 nm thickness were evaporated (resulting in a metal layer sequence Ti/Pt), followed by 250 nm to 500 nm sputtered iridium oxide layers (SIROFs), which were deposited by sputtering with an Ar/O 2 gas mixture of 100/6 sccm (standard cubic centimeters per minute) and a DC power of 100 W.

4. Abscheidung einer flexiblen Passivierungsschicht4. Deposition of a flexible passivation layer

Eine flexible PaC-Passivierungsschicht mit einer Dicke von 5 µm wurde analog wie in Schritt 1 beschrieben abgeschieden.A flexible PaC passivation layer with a thickness of 5 µm was deposited analogously as described in step 1.

5. Aussparungen, Form und Passivierungsöffnungen5. Recesses, shape and passivation openings

In diesem Schritt wurde das flexible Polymer strukturiert. Dazu gehören die Schnitte der Kirigami-Strukturen (Aussparungen der n-seitigen Elektrodenstrukturen), die Umrisse der Form der kompletten Sonde sowie die Öffnungen der Kontaktflächen und die der Elektroden. Zunächst wurde eine Ätzmaske mit einem dicken Positiv-Fotolack von mindestens der 1,5-fachen Dicke des zu ätzenden Polymers strukturiert. Hierbei wurde eine Ätzmaske auf der letzten PaC-Schicht strukturiert, indem der Fotolack AZ 12XT (MicroChemicals GmbH, Deutschland; ein Fotolack enthaltend PGMEA) bei 1000 U/min für 180 Sekunden mit einer Rampe von 200 U/min/s rotationsbeschichtet wurde, ein Ausbacken mit einer Heizplatte bei 110°C für 4 Minuten durchgeführt wurde und mit einer maskenlosen Belichtungsanlage mit einer Dosis von 350 mJ/cm2, einer Defoc-Einstellung von 2 und einem CDB von -800 mit UV-Licht einer Wellenlänge von 375 nm belichtet wurde. Anschließend wurde der Wafer nach der Belichtung einer Erhitzung unter Verwendung einer Heizplatte bei 90°C 1 Minute lang unterworfen, gefolgt von einem Entwicklungsschritt von 2 Minuten mit AZ 326 MIF. Nach der Strukturierung der Ätzmaske wurde ein RIE-Schritt mit einem O2/CF4-Gasgemisch von 36/4 sccm mit RF/ICP-Leistungen (RF = kapazitiv gekoppelte Radiofrequenz und ICP = induktiv gekoppeltes Plasma) von 50/500 W durchgeführt, um PaC zu ätzen. Wenn Schritt 3 nicht durchgeführt wurde, erfolgte ein zweiter RIE-Schritt zum Ätzen der obersten 10 nm dicken Ti-Schicht mit einem O2/Ar-Gasgemisch von 20/20 sccm und einer HF-Leistung von 150 W. Nach dem RIE wurde die Ätzmaske mit AZ 100 Entferner (MicroChemicals GmbH, Deutschland; Lösungsmittel auf Basis von Ethanolamin) in einem Zweibadsystem entfernt. Im ersten Bad wird ein Ultraschallbad mit niedriger Leistung für 5 Minuten verwendet, gefolgt von einem zweiten Bad mit frischem AZ 100 Entferner ohne Ultraschall. Anschließend wurde der Wafer in drei Bädern mit Isopropanol gespült.In this step, the flexible polymer was structured. This includes the cuts of the kirigami structures (recesses of the n-side electrode structures), the outlines of the shape of the complete probe as well as the openings of the contact surfaces and those of the electrodes. First, an etching mask was structured with a thick positive photoresist of at least 1.5 times the thickness of the polymer to be etched. An etching mask was structured on the last PaC layer by spin-coating the photoresist AZ 12XT (MicroChemicals GmbH, Germany; a photoresist containing PGMEA) at 1000 rpm for 180 seconds with a ramp of 200 rpm/s, baking with a hot plate at 110°C for 4 minutes and exposed to UV light of 375 nm wavelength using a maskless exposure system with a dose of 350 mJ/cm 2 , a Defoc setting of 2 and a CDB of -800. Subsequently, after exposure, the wafer was subjected to heating using a hot plate at 90°C for 1 minute, followed by a development step of 2 minutes with AZ 326 MIF. After patterning the etch mask, an RIE step was performed with an O 2 /CF 4 gas mixture of 36/4 sccm with RF/ICP (RF = capacitively coupled radio frequency and ICP = inductively coupled plasma) powers of 50/500 W to etch PaC. If step 3 was not performed, a second RIE step was performed to etch the top 10 nm thick Ti layer using an O 2 /Ar gas mixture of 20/20 sccm and an RF power of 150 W. After RIE, the etch mask was removed with AZ 100 remover (MicroChemicals GmbH, Germany; ethanolamine-based solvent) in a two-bath system. In the first bath, a low-power ultrasonic bath is used for 5 minutes, followed by a second bath with fresh AZ 100 remover without ultrasonication. The wafer was then rinsed in three baths with isopropanol.

6. Ablösung und Chip-Montage6. Detachment and chip assembly

Die 2D-Elektrodenstrukturlage wurde mit Hilfe von Wassertropfen und einer Pinzette vom Silizium-Wafer gelöst. Diese wurden dann per Wende-Montage (Flip-Chip-Verfahren) auf eine Leiterplatte montiert. Zunächst wurde die Leiterplatte auf einer Direktkontakt-Heizplatte auf 180°C vorgeheizt, und die Niedertemperatur-Lötlegierung Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) wurde auf die Kontaktflächen der Leiterplatte aufgetragen, was die Bildung flüssiger Buckel auf jeder Kontaktfläche ermöglichte. Durch Absenken der Temperatur auf 160°C wurden die flexiblen Sonden ausgerichtet und auf die flüssigen Lötpastenakkumulationen, die sich verfestigten, nachdem der neue Chip schnell von der Heizplatte genommen und auf Raumtemperatur abgekühlt wurde, angeordnet. Der frisch gelötete Bereich wurde z.B. mit einer Polydimethylsiloxan (PDMS)-Beschichtung im Mischungsverhältnis 1:10 Aushärtemittel zu Vorpolymer (zum Beispiel Sylgard 184, Dow Corning, USA) versiegelt und bei 120°C für 30 Minuten in einem Ofen ausgehärtet. Als Versiegelungsschicht konnten und können auch andere Polymere auf Epoxidbasis verwendet werden.The 2D electrode structure layer was released from the silicon wafer using water drops and tweezers. These were then mounted on a PCB using a flip-chip assembly method. First, the PCB was preheated to 180°C on a direct contact hot plate, and the low-temperature solder alloy Sn42/Bi58 (AMTECH, USA) was applied to the contact pads of the PCB, allowing the formation of liquid bumps on each contact pad. By lowering the temperature to 160°C, the flexible probes were aligned and placed on the liquid solder paste accumulations that solidified after the new chip was quickly removed from the hot plate and cooled to room temperature. The freshly soldered area was sealed with a polydimethylsiloxane (PDMS) coating in a mixing ratio of 1:10 curing agent to prepolymer (for example Sylgard 184, Dow Corning, USA) and cured in an oven at 120°C for 30 minutes. Other epoxy-based polymers could and can also be used as a sealing layer.

7. Aufbringen der Elektrodenbeschichtung (optional)7. Applying the electrode coating (optional)

In den Fällen, bei denen Schritt 3 nicht durchgeführt wurde, wurde eine Elektrodenbeschichtung zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften der Au-Elektroden durchgeführt. In diesem Fall werden leitfähige Materialien wie PEDOT: PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen: Poly(4-styrolsulfonat)) galvanisch abgeschieden werden.In cases where step 3 was not performed, electrode coating was performed to improve the electrochemical properties of the Au electrodes. In this case, conductive materials such as PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene:poly(4-styrenesulfonate)) will be electrodeposited.

Dazu wurde eine EDOT:PSS-Lösung aus 0,1 % (w/v) 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) und 0,7 % (w/v) Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (PSS) in deionisiertem Wasser hergestellt.For this purpose, an EDOT:PSS solution was prepared from 0.1% (w/v) 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) and 0.7% (w/v) poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) in deionized water.

Nach der Montage wurden die Elektrodenlagen zunächst einer elektrochemischen Reinigung in 1x PBS (phosphatgepufferte Salzlösung) bei Raumtemperatur unterzogen, indem 10 Zyklen zyklischer Voltammetrie an allen Elektroden mit einer Sweep-Rate von 100 mV/s und Potenzialgrenzen zwischen -0,6 V und -0,9 V gegen eine Ag/AgCI-Referenzelektrode durchgeführt wurden. Dann wurde die Oberfläche der 2D-Elektrodenstrukturlage (kann auch als 2D-Kirigami-Vorrichtung bezeichnet werden) mit O2-Plasma bei einem Druck von 0,8 mbar und einer Leistung von 80 W für 3 Minuten aktiviert. Die elektrochemische Polymerisation von EDOT:PSS auf den Au-basierten Elektroden wurde dann mittels Chronoamperometrie unter Verwendung eines konstanten Potentials von 1 V für 20 Sekunden durchgeführt.After assembly, the electrode layers were first subjected to electrochemical cleaning in 1x PBS (phosphate buffered saline) at room temperature by performing 10 cycles of cyclic voltammetry on all electrodes with a sweep rate of 100 mV/s and potential limits between -0.6 V and -0.9 V against an Ag/AgCl reference electrode. Then, the surface of the 2D electrode structure layer (can also be called 2D kirigami device) was activated with O 2 plasma at a pressure of 0.8 mbar and a power of 80 W for 3 min. Electrochemical polymerization of EDOT:PSS on the Au-based electrodes was then performed by chronoamperometry using a constant potential of 1 V for 20 s.

Auch andere leitende Materialien konnten (können) mittels zyklischer Voltammetrie oder Chronoamperometrie elektrochemisch abgeschieden werden, wie zum Beispiel IrOx. In diesen Fällen wurde anstelle der EDOT:PSS-Lösung eine Elektrolytlösung auf der Basis von Iridiumchloridhydrat verwendet. Dabei wurde eine erste Adhäsionsschicht aus IrOx nach 200 bis 400 Zyklen zyklischer Voltammetrie mit einer Sweep-Rate von 50 mV/s und Potenzialgrenzen zwischen 0 V und 0,55 V gegen eine Ag/AgCI-Referenzelektrode aufgewachsen, gefolgt von der Bildung einer dickeren Schicht, die mit Chronoamperometrie bei einem konstanten Potenzial von 0,55 V gegen eine Ag/AgCI-Referenzelektrode für 60 Minuten bis 100 Minuten aufgewachsen wurde.Other conductive materials could also be deposited electrochemically using cyclic voltammetry or chronoamperometry, such as IrO x . In these cases, an electrolyte solution based on iridium chloride hydrate was used instead of the EDOT:PSS solution. A first adhesion layer of IrO x was grown after 200 to 400 cycles of cyclic voltammetry with a sweep rate of 50 mV/s and potential limits between 0 V and 0.55 V against an Ag/AgCl reference electrode, followed by the formation of a thicker layer that was grown by chronoamperometry at a constant potential of 0.55 V against an Ag/AgCl reference electrode for 60 minutes to 100 minutes.

Beispiel 2 - Herstellung der Formen (Formgebungslagen):Example 2 - Production of the molds (forming layers):

Für die Herstellung der Formen wurde ein Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucker Photonic Professional GT2 der NanoScribe GmbH verwendet. Bei dem angewendeten Verfahren wird eine Erbium-dotierte Femtosekunden-Laserquelle (Zentralwellenlänge 780 nm) in einen Flüssigkeitstropfen eines Fotoharzes fokussiert. Übersteigt die Laserleistung einen bestimmten Schwellenwert, so polymerisiert das Fotoharz nur im Brennpunkt des Lasers und es lassen sich so wirklich komplexe Strukturen mit hoher Auflösung erzeugen.A two-photon polymerization 3D printer Photonic Professional GT2 from NanoScribe GmbH was used to produce the molds. The process used focuses an erbium-doped femtosecond laser source (central wavelength 780 nm) into a liquid drop of photo resin. If the laser power exceeds a certain threshold, the photo resin only polymerizes at the focal point of the laser, making it possible to create really complex structures with high resolution.

Um solche Formen zu erhalten, wurden vorliegend drei Hauptschritte durchgeführt:

  1. 1. 3D-Entwurf:
    • Die Formen wurden mit einer CAD-Software entworfen und mit Describe (Software der NanoScribe GmbH) in Druckanweisungen umgewandelt.
  2. 2. 3D-Druck:
    • Ein Zeiss 25X NA0.8 Objektiv wurde verwendet und IP-S (NanoScribe GmbH, Deutschland) wurde als Photopolymer-Material verwendet. Mit dem vorgegebenen Druckrezept von NanoScribe, das für die Kombination von 25X-Objektiv und IP-S ausgelegt ist, wurde der Slicing-Abstand auf 1 µm und der Hatching-Abstand auf 500 nm eingestellt. Die Einstellungen Scangeschwindigkeit 100000 µm/s, LaserPower 100% und Power Scaling 1,2 führten zum besten Druckergebnis mit ausreichender Auflösung und Stabilität der gedruckten Struktur. Da die Form viel größer ist als ein einzelner gedruckter Block, der durch das Druckfeld des verwendeten Objektivs (400 µm × 400 µm × 400 µm für das 25X-Objektiv) ohne Tischbewegung definiert ist, wurden viele Blöcke nebeneinander gedruckt, um die gesamte Struktur aufzubauen. Um die Adhäsion zwischen den einzelnen Blöcken zu gewährleisten, wurde die Blocküberlagerung in allen Dimensionen auf 2 µm eingestellt. Die Höhe der einzelnen Blöcke wurde auf 200 µm eingestellt, um zu gewährleisten, dass das Objektiv, welches einen Arbeitsabstand von 380 µm hat, nicht in die Struktur hineinfuhr. Die Formen wurden auf ein 2,5 cm × 2,5 cm großes Glassubstrat gedruckt, das zuvor mit 3 µm PaC beschichtet wurde, wie in Schritt 2 von Beispiel 1 (Herstellung von flexiblen 2D-Elektrodenlagen) beschrieben. Die PaC-Beschichtung gewährleistete eine hohe Haftung des Drucks auf dem Glassubstrat.
To obtain such shapes, three main steps were carried out:
  1. 1. 3D design:
    • The shapes were designed using CAD software and converted into printing instructions using Describe (software from NanoScribe GmbH).
  2. 2. 3D printing:
    • A Zeiss 25X NA0.8 objective was used and IP-S (NanoScribe GmbH, Germany) was used as photopolymer material. Using the default print recipe from NanoScribe designed for the combination of 25X objective and IP-S, the slicing distance was set to 1 µm and the hatching distance to 500 nm. The settings Scan Speed 100000 µm/s, LaserPower 100% and Power Scaling 1.2 resulted in the best printing result with sufficient resolution and stability of the printed structure. Since the shape is much larger than a single printed block defined by the print field of the objective used (400 µm × 400 µm × 400 µm for the 25X objective) without stage movement, many blocks were printed next to each other to build the entire structure. To ensure adhesion between the individual blocks, the block overlay was set to 2 µm in all dimensions. The height of the individual blocks was set to 200 µm to ensure that the lens, which has a working distance of 380 µm, did not enter the structure. The shapes were printed on a 2.5 cm × 2.5 cm glass substrate that had been previously coated with 3 µm PaC as described in step 2 of Example 1 (production of flexible 2D electrode layers). The PaC coating ensured high adhesion of the print to the glass substrate.

In diesem Schritt wurde weiterhin ein umlaufender erhöhter Rand gedruckt, der später für die Ausrichtung der verschiedenen Lagen aneinander wichtig ist.In this step, a raised edge was also printed all around, which will later be important for aligning the different layers with each other.

3. Entwicklung:3. Development:

Mit einem Entwicklungsschritt nach dem Druckvorgang wurde das restliche Photopolymer, das nicht polymerisiert ist, fortgewaschen. Die Proben wurden 15 Minuten lang in ein Bad mit frischem Mr-Dev 600 Entwickler (Lösungsmittelbasierter Entwickler der Firma Micro Resist Technology für auf Epoxidharzen basierende Fotolacke) gelegt, gefolgt von einem weiteren 5-minütigen Bad in frischem Mr-Dev 600. Schließlich wurden die Formen für weitere 5 Minuten in frisches Isopropanol gelegt und dann an der Luft getrocknet. Alle genannten Schritte wurden in einer zertifizierten Reinraumumgebung durchgeführt, um eine stabile Herstellungsumgebung zu gewährleisten.A post-print development step was used to wash away any remaining photopolymer that had not polymerized. The samples were placed in a bath of fresh Mr-Dev 600 developer (Micro Resist Technology's solvent-based developer for epoxy-based photoresists) for 15 minutes, followed by another 5-minute bath in fresh Mr-Dev 600. Finally, the molds were placed in fresh isopropanol for another 5 minutes and then air dried. All of the above steps were performed in a certified cleanroom environment to ensure a stable manufacturing environment.

Beispiel 3 - Fertigstellung der flexiblen dreidimensionalen strukturierten ElektrodenlagenExample 3 - Completion of the flexible three-dimensional structured electrode layers

Nach der Herstellung der flexiblen 2D-Elektrodenlagen und der Formen (Formgebungslagen und Anpresslagen) folgte der Zusammenbau. Um eine dreidimensional strukturierte Elektrodenlage herzustellen. Um die Schäfte in einem 90°-Winkel falten zu können, wurden in diesem Beispiel zwei Formen verwendet (es reicht jedoch auch die in Beispiel 2 hergestellte Form, also die Formgebungslage, allein). Zunächst wurden gemäß Beispiel 1 hergestellte 2D-Elektrodenlagen auf gemäß Beispiel 2 hergestellte Formen gelegt (3A). Dies wurde entweder mit Hilfe eines Mikromanipulators oder von Hand durchgeführt (bei letzterem war es hilfreich unter einem geeigneten Mikroskop zu arbeiten). Es war dabei ferner hilfreich, eine zweite Pinzette zu verwenden, um die 2D-Elektrodenlagen an der unteren Form auszurichten. Dabei half es, dass bei der Herstellung der Form gemäß Beispiel 2 äußere Ränder ausgebildet worden waren, an denen die Ausrichtung erfolgen konnte, denn die Form wurde so hergestellt, dass die 2D-Elektrodenlagen perfekt in die eine Art Rahmen bildenden Ränder der Form (Formgebungslage) passte, wodurch die 2D-Elektrodenlagen von den Rändern gehalten wurde. Im nächsten Schritt wurde eine Pinzette verwendet, um eine weitere, zweite Form (Anpresslage) zu greifen, die mit ihren Rändern nach unten zeigend von oben auf die 2D-Elektrodenlagen aufgelegt wurde (3B). Diese zweiten Formen wurden gemäß Beispiel 2 hergestellt, nur dass keine einzelnen Hervorhebungen in Form von Blöcken (die auf die Schäfte der 2D-Elektrodenlagen abgestimmt gewesen wären) gedruckt wurden, sondern äußere Ränder, die so dimensioniert waren, dass die Form mit dem Äußeren ihrer Ränder exakt innen in die Ränder der unteren, ersten Form (also der Formgebungslage) passten. Zudem, konnten die weiteren, zweiten Formen (Anpresslagen) optional weitere Erhebungen, beispielsweise Stege oder beliebig geformte andere Erhebungen, aufweisen. Idealerweise und daher bevorzugt im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es, wenn alle Erhebungen der Anpresslagen, einschließlich der Ränder, die gleiche Höhe aufweisen, damit der Andruck möglichst gleichmäßig erfolgen kann. Wesentlich ist es nur, dass die Erhebungen der Anpresslage derart angeordnet sind, dass sie beim Zusammendrücken der verschiedenen Lagen nicht über den Erhebungen der Formgebungslage oder den Schäften der 2D-Sonden liegen, denn sonst könnte die Auffaltung der Schäfte der 2D-Sonden nicht erfolgen.After the flexible 2D electrode layers and the molds (forming layers and pressing layers) had been produced, assembly followed. In order to produce a three-dimensionally structured electrode layer, two molds were used in this example in order to be able to fold the shafts at a 90° angle (however, the mold produced in example 2, i.e. the forming layer, alone is sufficient). First, 2D electrode layers produced according to example 1 were placed on molds produced according to example 2 ( 3A) . This was done either with the help of a micromanipulator or by hand (in the latter case it was helpful to work under a suitable microscope). It was also helpful to use a second pair of tweezers to align the 2D electrode layers with the lower mold. It helped that when the mold was manufactured according to Example 2, outer edges had been formed on which the alignment could be done, because the mold was manufactured in such a way that the 2D electrode layers fit perfectly into the edges of the mold (forming layer) that formed a kind of frame, whereby the 2D electrode layers were held by the edges. In the next step, tweezers were used to grip another, second mold (pressing layer), which was placed on top of the 2D electrode layers with its edges pointing downwards ( 3B) These second molds were produced according to example 2, except that no individual highlights in the form of blocks (which would have been matched to the shafts of the 2D electrode layers) were printed, but rather outer edges that were dimensioned so that the shape with the outside of its edges fit exactly inside the edges of the lower, first mold (i.e. the shaping layer). In addition, the other, second molds (pressing layers) could optionally have further elevations, for example webs or other elevations of any shape. Ideally, and therefore preferred within the scope of the present invention, all elevations of the pressing layers, including the edges, have the same height so that the pressure can be applied as evenly as possible. It is only important that the elevations of the pressing layer are arranged in such a way that when the various layers are pressed together, they do not lie above the elevations of the shaping layer or the shafts of the 2D probes, because otherwise the shafts of the 2D probes could not unfold.

Das Auflegen der weiteren, zweiten Formen (Anpresslagen) wurde in manchen Fällen mit Hilfe eines Mikromanipulators und in anderen Fällen mit ruhigen Händen (gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Mikroskops) durchgeführt. In jedem Fall wurde die obere Form langsam abgesenkt, um genaueres platzieren zu erleichtern. Da die Ränder der oberen Form genau in die untere Form passten, wurde die Ausrichtung erleichtert (wie erläutert). Sobald die weitere, zweite Form (Anpresslage) an der richtigen Stelle platziert war, wurde sie abgesenkt und alle drei Lagen zusammengedrückt, bis sich alle Schäfte gleichzeitig hoben.The application of the additional, second forms (pressing layers) was carried out in some cases with the help of a micromanipulator and in other cases with steady hands (if necessary with the help of a microscope). In each case, the upper mold was slowly lowered to facilitate more precise placement. Since the edges of the upper mold fit snugly into the lower mold, alignment was made easier (as explained). Once the second mold (press layer) was in place, it was lowered and all three layers were pressed together until all the shafts rose simultaneously.

In allen Fällen wurden die verschiedenen Lagen parallel zueinander angeordnet und auch beim Zusammendrücken deren Parallelität beibehalten.In all cases, the different layers were arranged parallel to each other and their parallelism was maintained even when compressed.

In weiteren Experimenten wurde eine umgekehrte Vorgehensweise verfolgt. Dabei wurde eine 2D-Elektrodenlagen gemäß Beispiel 1 hergestellt. Diese Lage wurde dann in eine vorgefertigte Fassung eingesetzt, welche die Lage an Ort und Stelle fixierte (4A). Zusätzlich verfügte die Fassung über Querstreben, um eine gleichmäßige Druckverteilung beim folgenden Falten zu gewährleisten. Die Fassung wurde auf einem Montagetisch (mit Aussparung in der Mitte) angeordnet, um Platz für die zu faltenden Schäfte zu schaffen; alternativ kann natürlich auch bereits die Fassung so ausgestaltet werden, dass sie genügend Platz für die aufzufaltenden Schäfte lässt, zum Beispiel durch entsprechend hohe Ränder. Im nächsten Schritt wurde die gemäß Beispiel 2 hergestellte Form (Formgebungslage) mit den Erhebungen nach voran auf die 2D-Elektrodenlagen gelegt (4B). Auch hier halfen die Ränder der Fassung, die Ausrichtung zu verbessern. Wenn die Form (Formgebungslage) korrekt platziert ist, wird sie nach unten auf die 2D-Elektrodenlagen gedrückt, so dass die Erhebungen der Formgebungslage die Schäfte aus der Ebene der 2D-Sonde drückten und alle Schäfte gleichzeitig gefaltet wurden. In dieser Variante ersetzt demgemäß die vorgefertigte Fassung die Anpresslage aus der ersten Variante; die vorgefertigte Fassung kann demgemäß als Spezialfall der Anpresslage angesehen werden.In further experiments, a reverse procedure was followed. A 2D electrode layer was produced according to Example 1. This layer was then inserted into a prefabricated holder, which fixed the layer in place ( 4A) . In addition, the frame had cross braces to ensure even pressure distribution during the subsequent folding. The frame was placed on an assembly table (with a recess in the middle) to create space for the shafts to be folded; alternatively, the frame can of course also be designed in such a way that it leaves enough space for the shafts to be unfolded, for example by having appropriately high edges. In the next step, the form (forming layer) produced according to example 2 was placed with the elevations facing forward on the 2D electrode layers ( 4B) . Here too, the edges of the frame helped to improve the alignment. When the mold (forming layer) is correctly placed, it is pressed down onto the 2D electrode layers so that the protrusions of the forming layer pushed the shafts out of the plane of the 2D probe and all shafts were folded simultaneously. In this variant, the prefabricated frame therefore replaces the pressing layer from the first variant; the prefabricated frame can therefore be considered a special case of the pressing layer.

Danach wurden die jeweils zusammengefügten Lagen erhitzt, um die aufgerichteten Schäfte in ihrer Position zu fixieren. Dabei erfolgte das Erhitzen der Lagen mit einer möglichst langsamen Rampe von ca. 5°C/min. Dann wurde die Temperatur für 60 Minuten bei 150°C bis 160°C gehalten. Die Lagen waren vollständig (ca. 120 Minuten) abgekühlt bevor sie auseinander genommen wurden.The joined layers were then heated to fix the erected shafts in position. The layers were heated at a ramp as slow as possible of about 5°C/min. The temperature was then held at 150°C to 160°C for 60 minutes. The layers were completely cooled (about 120 minutes) before they were taken apart.

Schließlich wurden die Lagen voneinander getrennt und die vormalige 2D-Elektrodenstrukturlage als neue, dreidimensional strukturierte Elektrodenlage mit aufgerichteten, annähernd im 90°-Winkel zu der Lagenebene aufgestellten, Elektrodenschäften erhalten.Finally, the layers were separated from each other and the former 2D electrode structure layer was obtained as a new, three-dimensionally structured electrode layer with upright electrode shafts positioned approximately at a 90° angle to the layer plane.

Diese konnte dann zum Beispiel als Neuroimplantat verwendet werden. Für in vitro und ex-vivo-Anwendungen konnten diese wie hergestellt direkt verwendet werden, für in-vivo-Anwendungen mussten sie noch sterilisiert werden (zum Beispiel mittels Ethanol, UV-Bestrahlung, Ethylenoxid, Wasserstoffperoxid Plasma, Autoklavieren). These could then be used, for example, as a neuroimplant. For in vitro and ex vivo applications, these could be used directly as manufactured; for in vivo applications, they still had to be sterilized (for example using ethanol, UV irradiation, ethylene oxide, hydrogen peroxide plasma, autoclaving).

Die im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren näher erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen dar, viele der im Folgenden in einzelnen Figuren dargestellten Merkmale bzw. Ausführungsformen sind mit in anderen Figuren oder der übrigen Beschreibung dargestellten Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar, insbesondere wo die Merkmale entsprechend beschrieben sind. Die Figuren sind überdies nicht limitierend auszulegen und nicht maßstabsgetreu. Weiterhin enthalten die Figuren nicht alle Merkmale, die übliche Vorrichtungen/Anlagen aufweisen, sondern sind auf die für die vorliegende Erfindung und ihr Verständnis wesentlichen Merkmale reduziert, beispielsweise sind Schrauben, Schläuche, Halterungen etc. nicht oder nicht im Detail dargestellt.The embodiments of the present invention explained in more detail below with reference to the figures represent various preferred embodiments; many of the features or embodiments shown in individual figures below can be combined with features and embodiments shown in other figures or the rest of the description, especially where the features are described accordingly. The figures are also not to be interpreted as limiting and are not to scale. Furthermore, the figures do not contain all the features that conventional devices/systems have, but are reduced to the features that are essential for the present invention and its understanding; for example, screws, hoses, brackets, etc. are not shown or are not shown in detail.

Gleiche Bezugszeichen/-ziffern bedeuten dabei gleiche oder gleichwirkende Vorrichtungsteile.Identical reference symbols/numbers mean identical or equivalent device parts.

1 zeigt schematisch die Abfolge der Herstellung von 2D-Elektrodenstrukturlagen 2DE, wie sie auch oben beschrieben sind. Dabei wird die Schichtung in einer Sicht parallel zu der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE nach dem jeweiligen Verfahrensschritt dargestellt. Exemplarisch ist der Einfachheit halber hier jeweils nur ein Ausschnitt mit einer Elektrodenstruktur gezeigt; die 2D-Elektrodenstrukturlage weist aber (in der Regel) eine Vielzahl dieser auf. Die ganz links gezeigten Ziffern 1), 2), 4), 5), 6) und 7) repräsentieren dabei die oben beschriebenen Verfahrensschritte entsprechender Bezifferung. Wie man sieht wird in Schritt 1) die erste Substratschicht 1S auf ein Trägersubstrat T aufgetragen. Gezeigt ist ferner eine optionale Zwischenschicht oZ, die bevorzugt nur zur Anwendung kommt, falls als Substrat Polyimide verwendet werden. In Schritt 2) wird dann darauf die erste, strukturierte Metallschicht (Basismetallschicht) 1M aufgetragen. Entsprechend der obigen Beschreibung besteht diese Schicht am Ende von Schritt 2) nur noch aus Leiterbahnen L und Elektrodenflächen EF (unabhängig davon, ob erst eine vollständige Metallschicht aufgetragen und dann überschüssiges Metall entfernt wird, oder Metall nur auf selektierte, zum Beispiel freigelassen Bereiche aufgetragen wird und die übrigen Bereiche dann von zum Beispiel Schutzpolymer befreit werden; L und EF in dieser Figur der Übersichtlichkeit halber nicht getrennt dargestellt). Als nächstes wird die Schichtfolge nach Schritt 4) dargestellt, bei der die Passivierungsschicht P verbleibt. In Schritt 5) wird dann nur die erste Metallschicht 1M an selektierten Stellen freigelegt, und in Schritt 6) das Trägersubstrat T entfernt. In Schritt 7) werden dann die freigelegten Elektrodenflächen mit elektrisch leitfähigen Substanzen (Polymeren) beschichtet, was in einer elektrisch leitfähigen Beschichtung eB resultiert, die dann verbleibt. Das so erhaltene Produkt, die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, kann dann einem „Kirigami-Prozess“ (also den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten A) bis F)) unterworfen werden, zum Beispiel wie in den 3 oder 4 gezeigt. 1 shows schematically the sequence of production of 2D electrode structure layers 2DE, as also described above. The layering is shown in a view parallel to the 2D electrode structure layer 2DE after the respective process step. For the sake of simplicity, only one section with an electrode structure is shown here as an example; however, the 2D electrode structure layer (usually) has a large number of these. The numbers 1), 2), 4), 5), 6) and 7) shown on the far left represent the process steps described above with the corresponding numbering. As can be seen, in step 1) the first substrate layer 1S is applied to a carrier substrate T. Also shown is an optional intermediate layer oZ, which is preferably only used if polyimides are used as the substrate. In step 2), the first, structured metal layer (base metal layer) 1M is then applied to this. According to the above description, at the end of step 2) this layer only consists of conductor tracks L and electrode areas EF (regardless of whether a complete metal layer is first applied and then excess metal is removed, or metal is only applied to selected, for example, exposed areas and the remaining areas are then freed of protective polymer, for example; L and EF are not shown separately in this figure for the sake of clarity). Next, the layer sequence after step 4) is shown, in which the passivation layer P remains. In step 5) only the first metal layer 1M is then exposed at selected locations, and in step 6) the carrier substrate T is removed. In step 7) the exposed electrode surfaces are then coated with electrically conductive substances (polymers), resulting in an electrically conductive coating eB, which then remains. The product thus obtained, the 2D electrode structure layer 2DE, can then be subjected to a "kirigami process" (i.e. the inventive process steps A) to F)), for example as in the 3 or 4 shown.

Der Übersichtlichkeit halber sind in dieser Figur, wie auch den übrigen Figuren, die einzelnen Bestandteile nicht in allen Schritten beschriftet, sondern nur in einzelnen; gleiche Darstellungen zeigen aber gleiche Elemente.For the sake of clarity, in this figure, as in the other figures, the individual components are not labelled in all steps, but only in some of them; however, identical representations show identical elements.

2 illustriert das gleiche wie 1, jedoch mit dem Unterschied, dass hier eine zweite Vorgehensweise dargestellt ist, bei der Schritt 3) durchgeführt wird, dafür aber nicht Schritt 7). Entsprechend wird für Schritt 3) dargestellt, dass hier zunächst die Zwischenschicht Z aufgetragen wird, wobei die erste Metallschicht 1M teilweise freibleibt, oder wieder freigelegt wird, so dass am Ende des Schrittes 3) teilweise freiliegende erste Metallschicht 1M resultiert. Gemäß Schritt 3d) erfolgt dann Auftragung einer zweiten Metallschicht 2M, die anschließend verbleibt. Hier ist es so dargestellt, dass die zweite Metallschicht 2M zum Teil auf der Zwischenschicht Z aufliegt, dies ist aber nicht zwingend der Fall. Es ist auch möglich, diesen Schritt so auszuführen, dass an seinem Ende die Zwischenschicht Z und die zweite Metallschicht 2M plan ineinander übergehen oder so, dass das obere Ende der Metallschicht 2M etwas tiefer liegt. Die übrigen Schritte entsprechen den in 1 gezeigten. Das so erhaltene Produkt, die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, kann dann einem „Kirigami-Prozess“ (also den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten A) bis F)) unterworfen werden, zum Beispiel wie in den 3 oder 4 gezeigt. 2 illustrates the same as 1 , but with the difference that a second procedure is shown here, in which step 3) is carried out, but not step 7). Accordingly, for step 3), it is shown that the intermediate layer Z is first applied, whereby the first metal layer 1M remains partially exposed, or is exposed again, so that at the end of step 3) a partially exposed first metal layer 1M results. According to step 3d), a second metal layer 2M is then applied, which then remains. Here it is shown that the second metal layer 2M partially rests on the intermediate layer Z, but this is not necessarily the case. It is also possible to carry out this step in such a way that at the end the intermediate layer Z and the second metal layer 2M merge flush into one another or in such a way that the upper end of the metal layer 2M is slightly lower. The remaining steps correspond to those in 1 The product thus obtained, the 2D electrode structure layer 2DE, can then be subjected to a “kirigami process” (i.e. the process steps A) to F)) according to the invention, for example as shown in the 3 or 4 shown.

Die 3 bis 5 zeigen illustrativ das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen (also einer Art Kirigami-Prozess). 3 zeigt dabei eine erste mögliche Variante der Positionierung und des Zusammenbringens von 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und Anpresslage A. In der linken Hälfte der Figur wird dargestellt, wie eine 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE umfassend eine Vielzahl (gezeigt sind vier) n-seitiger Elektrodenstrukturen n-ES mit eine Formgebungslage F zusammengebracht, hier von oben aufgelegt, wird. Wie man sieht umfasst die Formgebungslage F eine Vielzahl (gezeigt sind vier) hervorstehende Strukturen hS. In der rechten Hälfte ist zusätzlich eine Anpresslage A gezeigt, die an drei Seiten einen Rand eine zusätzliche Wand bzw. einen Steg umfasst (selbstverständlich sind mehrere Wände beziehungsweise Stege oder auch andere Strukturen sowie Ränder an allen vier Seiten oder auch nur an zwei Seiten oder einer möglich). Die Anpresslage A wird dann mit den Rändern und dem Steg in Richtung 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE und Formgebungslage F gedreht und alle drei Lagen zusammengebracht.The 3 to 5 illustrate the inventive method for producing three-dimensionally structured electrode layers (i.e. a kind of Kirigami process). 3 shows a first possible variant of positioning and bringing together the 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and pressing layer A. The left half of the figure shows how a 2D electrode structure layer 2DE comprising a large number (four are shown) of n-sided electrode structures n-ES is brought together with a shaping layer F, here placed from above. As can be seen, the shaping layer F comprises a large number (four are shown) of protruding structures hS. The right half also shows a pressing layer A, which comprises an edge and an additional wall or a web on three sides (of course, several walls or webs or other structures as well as edges on all four sides or only on two sides or one are possible). The pressing layer A is then rotated with the edges and the web in the direction of the 2D electrode structure layer 2DE and shaping layer F and all three layers are brought together.

4 zeigt eine zweite mögliche Variante der Positionierung und des Zusammenbringens von 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und - anstelle der Anpresslage A - vorgefertigter Fassung vF. Wie man sieht ist hier anstelle der Formgebungslage F eine vorgefertigte Fassung vF gezeigt, die hier in Form eines Rahmens ausgestaltet ist, in den die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE eingeschoben werden kann. Die Formgebungslage F umfasst in diesem Beispiel keinen Rand und wird in dieser Darstellung von oben in den Rahmen der vorgefertigten Fassung vF ein- und auf die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE aufgelegt. Um ausreichend Spielraum zur Auffaltung/Aufstellung für die n-seitigen Elektrodenstrukturen n-ES zu ermöglichen, ist hier ein Montagetisch gezeigt, der aber - je nach Höhe des Rahmens der vorgefertigten Fassung vF - nicht immer nötig ist. Im Übrigen zeigt 4 sinngemäß das Gleiche wie 3. 4 shows a second possible variant of positioning and bringing together the 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and - instead of the pressing layer A - prefabricated socket vF. As can be seen, instead of the shaping layer F, a prefabricated socket vF is shown here, which is designed here in the form of a frame into which the 2D electrode structure layer 2DE can be inserted. In this example, the shaping layer F does not have an edge and in this illustration is inserted from above into the frame of the prefabricated socket vF and placed on the 2D electrode structure layer 2DE. In order to allow sufficient space for unfolding/setting up the n-side electrode structures n-ES, an assembly table is shown here, but this is not always necessary - depending on the height of the frame of the prefabricated socket vF. Furthermore, 4 the same as 3 .

Weitere, von den Darstellungen in 3 und 4 abweichende Varianten sind möglich. 5 zeigt dann schematisch das vollständige erfindungsgemäße Verfahren - der Einfachheit halber illustriert nur anhand der Variante von 3, die in einigen Varianten der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt ist. Demgemäß ist im mittleren oberen Teil der Figur illustriert, dass gemäß 3 die drei Lagen, 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE, Formgebungslage F und Anpresslage A, zusammengefügt werden. Entfernt man nach dem Zusammenpressen die Anpresslage A, erhält man die 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE und die Formgebungslage F zusammensetzt, wie im rechten Teil dargestellt. Wie man dort sieht, sind die n-seitigen Elektrodenstrukturen n-ES durch das Durchdrücken der hervorstehenden Strukturen hS der Formgebungslage F nach oben aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgedrückt und aufgerichtet worden. Im rechten unteren Teil der Figur ist anhand des gewinkelten Pfeiles mit Thermometersymbol und °C-Angabe illustriert, dass diese zwei zusammengesetzten Lagen zusammen erhitzt werden, um die aufgerichteten n-seitigen Elektrodenstrukturen n-ES in Ihrer aufgerichteten Position zu fixieren. Nach Entfernung der Formgebungslage F erhält man dann die fertige dreidimensional strukturierte Elektrodenlage 3DE, wie sie in der Mitte, unten der 5 zu sehen ist.Other, from the representations in 3 and 4 Different variants are possible. 5 then shows schematically the complete method according to the invention - for the sake of simplicity illustrated only by the variant of 3 , which is also preferred in some variants of the present invention. Accordingly, in the middle upper part of the figure it is illustrated that according to 3 the three layers, 2D electrode structure layer 2DE, shaping layer F and pressing layer A, are joined together. If pressing layer A is removed after pressing together, the 2D electrode structure layer 2DE and the shaping layer F are obtained, as shown in the right part. As can be seen there, the n-sided electrode structures n-ES have been pushed out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE and erected by pressing through the protruding structures hS of the shaping layer F upwards. In the lower right part of the figure, the angled arrow with thermometer symbol and °C indication illustrates that these two assembled layers are heated together in order to fix the erected n-sided electrode structures n-ES in their erected position. After removing shaping layer F, the finished three-dimensionally structured electrode layer 3DE is obtained, as shown in the middle, below the 5 you can see.

6 zeigt beispielhaft drei verschiedene Illustrationen für n-seitige Elektrodenstrukturen jeweils parallel zu den entsprechenden 2D-Elektrodenstrukturlagen gesehen. 6a zeigt dabei eine 3-seitige Elektrodenstruktur 3n, die aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. die 3-seitige Elektrodenstruktur 3n hat in dieser Illustration drei Elektrodenflächen EF und entsprechend drei Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen. 6b zeigt dabei eine 4-seitige Elektrodenstruktur 4n, (mit spitz ausgeführter kurzer Seite; man könnte diese Elektrodenstruktur also auch als 5-seitig bezeichnen oder als 4-seitig mit Spitze) die aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. Die 4-seitige Elektrodenstruktur 4n hat in dieser Illustration vier Elektrodenflächen EF und entsprechend vier Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen. 6c zeigt dabei eine 5-seitige Elektrodenstruktur 5n, die aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage 2DE herausgeklappt ist. Die 5-seiteige Elektrodenstruktur 5n hat in dieser Illustration vier Elektrodenflächen EF und entsprechend vier Leiterbahnen L, die von den Elektrodenflächen EF fortführen. 6 shows three different illustrations for n-side electrode structures, each parallel to the corresponding 2D electro the structural layers. 6a shows a 3-sided electrode structure 3n that is folded out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE. In this illustration, the 3-sided electrode structure 3n has three electrode surfaces EF and correspondingly three conductor tracks L that continue from the electrode surfaces EF. 6b shows a 4-sided electrode structure 4n (with a pointed short side; one could therefore also describe this electrode structure as 5-sided or 4-sided with a point) that is folded out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE. In this illustration, the 4-sided electrode structure 4n has four electrode surfaces EF and correspondingly four conductor tracks L that lead from the electrode surfaces EF. 6c shows a 5-sided electrode structure 5n that is folded out of the plane of the 2D electrode structure layer 2DE. In this illustration, the 5-sided electrode structure 5n has four electrode surfaces EF and correspondingly four conductor tracks L that continue from the electrode surfaces EF.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

2DE2EN
2D-Elektrodenstrukturlage2D electrode structure layer
3DE3DE
dreidimensional strukturierte Elektrodenlagethree-dimensionally structured electrode layer
n-ESn-ES
n-seitige Elektrodenstrukturn-side electrode structure
FF
FormgebungslageForming position
AA
AnpresslageContact pressure
hShS
hervorstehende Strukturenprotruding structures
vFvF
vorgefertigte Fassung (Spezialfall der Anpresslage)prefabricated frame (special case of the contact pressure)
MM
MontagetischAssembly table
TT
TrägersubstratCarrier substrate
1S1S
erste Substratschichtfirst substrate layer
1M1M
erste, strukturierte Basismetallschicht (Leiterbahnen und Elektrodenflächen)first, structured base metal layer (conductor tracks and electrode surfaces)
2M2M
zweite Metallschicht (optional)second metal layer (optional)
PP
PassivierungsschichtPassivation layer
ZZ
Zwischenschicht (optional)Intermediate layer (optional)
eBeB
elektrisch leitfähige Beschichtungelectrically conductive coating
EFEF
ElektrodenflächeElectrode area
LL
LeiterbahnConductor track
oZoZ
optionale Zwischenschicht (Cr/AU/Cr, insbesondere falls 1S PaC ist)optional intermediate layer (Cr/AU/Cr, especially if 1S is PaC)
3n3n
3-seiteige Elektrodenstruktur3-sided electrode structure
4n4n
4-seiteige Elektrodenstruktur4-sided electrode structure
5n5n
5-seiteige Elektrodenstruktur5-sided electrode structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Shin, H. et al.: „3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics“, Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3 [0004]Shin, H. et al.: “3D high-density microelectrode array with optical stimulation and drug delivery for investigating neural circuit dynamics,” Nat. Commun. 12, 492 (2021), https://doi.org/10.1038/s41467-020-20763-3 [0004]
  • Socia et al.: „A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models“, Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J [0004]Socia et al.: “A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models,” Lab Chip., 2020, 20, 901-911. DOI https://doi.org/10.1039/C9LC01148J [0004]
  • Liu et al. „Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics“, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109214 [0019]Liu et al. “Self-Healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics,” Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2109214 [0019]
  • Guo et al. „A flexible and stretchable Kirigami-inspired implantable neural probe with floating microsites for electrophysiology recordings“, 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vancouver, BC, Canada, 2020, pp. 350-353 [0019]Guo et al. “A flexible and stretchable Kirigami-inspired implantable neural probe with floating microsites for electrophysiology recordings,” 2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Vancouver, BC, Canada, 2020, pp. 350-353 [0019]

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung von dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen (3DE), das die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht: A) Bereitstellen einer flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) umfassend n-seitige Elektrodenstrukturen (n-ES), von denen eine Seite an der Strukturlage fest ist und die übrigen Seiten ganz oder teilweise von der Strukturlage abgetrennt sind; B) Bereitstellen einer dreidimensionalen Formgebungslage (F) umfassend hervorstehende Strukturen (hS); C) Ausrichten der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) und der Formgebungslage (F), so dass die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) zugeordnet sind; D) Zusammenpressen der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) und der Formgebungslage (F), wobei die n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) durch die jeweiligen hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) aus der Ebene der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) um eine an der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) festen Seite rotierend herausgedrückt und angehoben werden; E) Erhitzen der zusammengefügten Lagen, so dass die Elektrodenstrukturen (ES) der Elektrodenstrukturlage (2DE) in der durch die hervorstehenden Strukturen (hS) der Formgebungslage (F) vorgegebenen Lage fixiert werden; F) Trennen der Lagen voneinander.Method for producing three-dimensionally structured electrode layers (3DE), which comprises or consists of the following method steps: A) Providing a flexible 2D electrode structure layer (2DE) comprising n-sided electrode structures (n-ES), one side of which is fixed to the structure layer and the remaining sides are completely or partially separated from the structure layer; B) Providing a three-dimensional shaping layer (F) comprising protruding structures (hS); C) Aligning the flexible 2D electrode structure layer (2DE) and the shaping layer (F) so that the respective protruding structures (hS) are assigned to respective n-sided electrode structures (n-ES); D) Pressing the 2D electrode structure layer (2DE) and the shaping layer (F) together, wherein the n-side electrode structures (n-ES) are pressed out of the plane of the 2D electrode structure layer (2DE) by the respective protruding structures (hS) of the shaping layer (F) and are raised in a rotating manner about a side fixed to the 2D electrode structure layer (2DE); E) Heating the joined layers so that the electrode structures (ES) of the electrode structure layer (2DE) are fixed in the position predetermined by the protruding structures (hS) of the shaping layer (F); F) Separating the layers from one another. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der flexiblen 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) die folgenden Verfahrensschritte umfasst oder hieraus besteht: 1) Bereitstellung einer ersten flexiblen Substratschicht (1S), bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf einem Trägersubstrat (T); 2) Aufbringen einer strukturierten Basismetallschicht (1M) umfassend Leiterbahnen (L) und Elektrodenflächen (EF) auf die erste flexible Substratschicht (1S); 3) optional Aufbringen einer flexiblen Zwischenschicht (Z), bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht (1M), umfassend die Unterschritte: 3a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die flexible Zwischenschicht (Z), 3b) Freilegen definierter Bereiche der Basismetallschicht (1M), bevorzugt über reaktives Ionenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche, 3c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske, 3d) Einbringen einer zweiten Metallschicht (2M) in die freigelegten Stellen der flexiblen Zwischenschicht (Z); 4) Aufbringen einer Passivierungsschicht (P), bevorzugt aus einem thermoplastischen Material, auf die strukturierte Basismetallschicht oder die flexible Zwischenschicht (Z); 5) Strukturierung der Passivierungsschicht (P) umfassend die Unterschritte: 5a) Aufbringen einer Maske, bevorzugt Ätzmaske, auf die Passivierungsschicht (P), 5b) Freilegen definierter Bereiche der Passivierungsschicht (P), bevorzugt über reaktives Ionenätzen, der durch die Maske definierten, zu entfernenden Bereiche, optional, insbesondere falls Schritt 3) nicht durchgeführt wurde, mehrmalig, 5c) Entfernen der Maske, bevorzugt Ätzmaske; 6) Entfernen des Trägersubstrats (T); 7) falls kein Schritt 3) vollführt wurde, Einbringen eines Beschichtungsmaterials in die freigelegten Bereiche der Passivierungsschicht (P) und auf die freigelegten Bereiche der Elektrodenoberflächen (EF).Procedure according to Claim 1 , characterized in that the production of the flexible 2D electrode structure layer (2DE) comprises or consists of the following method steps: 1) providing a first flexible substrate layer (1S), preferably made of a thermoplastic material, on a carrier substrate (T); 2) applying a structured base metal layer (1M) comprising conductor tracks (L) and electrode surfaces (EF) to the first flexible substrate layer (1S); 3) optionally applying a flexible intermediate layer (Z), preferably made of a thermoplastic material, to the structured base metal layer (1M), comprising the sub-steps: 3a) applying a mask, preferably an etching mask, to the flexible intermediate layer (Z), 3b) exposing defined regions of the base metal layer (1M), preferably via reactive ion etching, of the regions to be removed defined by the mask, 3c) removing the mask, preferably the etching mask, 3d) introducing a second metal layer (2M) into the exposed areas of the flexible intermediate layer (Z); 4) applying a passivation layer (P), preferably made of a thermoplastic material, to the structured base metal layer or the flexible intermediate layer (Z); 5) Structuring of the passivation layer (P) comprising the sub-steps: 5a) applying a mask, preferably an etching mask, to the passivation layer (P), 5b) exposing defined regions of the passivation layer (P), preferably via reactive ion etching, of the regions defined by the mask to be removed, optionally several times, in particular if step 3) was not carried out, 5c) removing the mask, preferably an etching mask; 6) removing the carrier substrate (T); 7) if step 3) was not carried out, introducing a coating material into the exposed regions of the passivation layer (P) and onto the exposed regions of the electrode surfaces (EF). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) vor oder nach den Schritten 1) bis 8) an n-1 Seiten der jeweiligen n-seitigen Elektrodenstrukturen (n-ES) das Material der 2D-Elektrodenstrukturlage (2DE) ganz oder teilweise durchtrennt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that in the 2D electrode structure layer (2DE) before or after steps 1) to 8), the material of the 2D electrode structure layer (2DE) is completely or partially severed on n-1 sides of the respective n-sided electrode structures (n-ES). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und Länge der jeweiligen hervorstehenden Struktur (hS) auf der Formgebungslage (F) geringer ist als die Breite und Länge der jeweils zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur (n-ES), und wobei die Höhe jeder der jeweiligen hervorstehenden Struktur (hS) insbesondere halb so hoch ist, wie die Länge der jeweiligen zugeordneten n-seitigen Elektrodenstruktur (n-ES).Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the width and length of the respective protruding structure (hS) on the shaping layer (F) is less than the width and length of the respectively associated n-side electrode structure (n-ES), and wherein the height of each of the respective protruding structures (hS) is in particular half as high as the length of the respectively associated n-side electrode structure (n-ES). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Substratschicht (S) der Elektrodenstrukturlage einen dünnen Metallfilm oder ein thermoplastisches Material umfasst oder daraus besteht, bevorzugt ein thermoplastisches Material, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Parylen-C, Polyimid, Polyethylenterephthalat, Polymilchsäure, Polytetrafluorethylen, Polystyrol und Mischungen davon, besonders bevorzugt Parylen-C oder Polyimid, insbesondere Parylen-C.Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the first substrate layer (S) of the electrode structure layer comprises or consists of a thin metal film or a thermoplastic material, preferably a thermoplastic material, in particular selected from the group consisting of parylene-C, polyimide, polyethylene terephthalate, polylactic acid, polytetrafluoroethylene, polystyrene and mixtures thereof, particularly preferably parylene-C or polyimide, in particular parylene-C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungslage (F) Metall, Kunststoff oder 3D-druckbares Material umfasst oder daraus besteht, bevorzugt mittels 2-Photonenpolymerisation druckbares Material, besonders bevorzugt auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten oder auf Basis von fotostrukturierbaren Epoxidharzen, insbesondere Bisphenol A-Novolak-Epoxidharz, oder auch auf Basis von Mischungen davon.Procedure according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the shaping layer (F) comprises or consists of metal, plastic or 3D-printable material, preferably material printable by means of 2-photon polymerization, particularly preferably based on (meth)acrylates curing via radical polymerization or based on photostructurable epoxy resins, in particular bisphenol A novolak epoxy resin, or also based on mixtures thereof. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstrukturlage Parylen-C umfasst oder daraus, abgesehen von den Metallen der Leiterbahnen (L) und Elektrodenflächen (EF), besteht und die Formgebungslage Material auf Basis von über radikalische Polymerisation härtenden (Meth)acrylaten umfasst oder daraus besteht.Procedure according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the electrode structure layer comprises or consists of parylene-C, apart from the metals of the conductor tracks (L) and electrode surfaces (EF), and the shaping layer comprises or consists of material based on (meth)acrylates which harden via radical polymerization. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden ganz oder teilweise mit leitfähigen Materialien beschichtet sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PEDOT:PSS, Iridiumoxid und Mischungen davon.Procedure according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the electrodes are completely or partially coated with conductive materials, preferably selected from the group consisting of PEDOT:PSS, iridium oxide and mixtures thereof. Dreidimensional strukturierten Elektrodenlagen (3DE) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Three-dimensionally structured electrode layers (3DE) manufactured by a process according to one of the Claims 1 until 8th . Implantate oder Neuroimplantate umfassend dreidimensional strukturierte Elektrodenlagen (3DE) gemäß Anspruch 9 oder bestehend aus diesen.Implants or neuroimplants comprising three-dimensionally structured electrode layers (3DE) according to Claim 9 or consisting of these. Verwendung dreidimensional strukturierter Elektrodenlagen (3DE) gemäß Anspruch 9 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als oder für Implantate, Neuroimplantate, zur Messung elektrochemischer Eigenschaften, zur Messung physikalischer Eigenschaften, beim Biosensing, oder zur Impedanzmessung.Use of three-dimensionally structured electrode layers (3DE) according to Claim 9 or manufactured according to one of the Claims 1 until 7 as or for implants, neuroimplants, for measuring electrochemical properties, for measuring physical properties, for biosensing, or for impedance measurement.
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