ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННЫХ КОНТАКТНЫХ ЛИНЗАХ
ELECTRICAL CONNECTIONS IN ELECTRONIC CONTACT LENSES

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка на патент истребует приоритет, заявленный в предварительной заявке на патент США № 61/564922, поданной 30 ноября 2011 года.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к контактным линзам, и более конкретно - к электронным контактным линзам для коррекции и/или усиления зрения, или, в противном случае, для выполнения других полезных офтальмологических функций. Электронные контактные линзы содержат оптические и электронные компоненты, которые функционально связаны друг с другом при помощи электрических и механических структур. Электронные компоненты могут состоять из множества компонентов, которые также связаны друг с другом при помощи электрических и механических структур.
2. Обзор материалов, использованных при экспертизе заявки
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, становится все более вероятным создание пригодных для ношения или встраиваемых микроэлектронных устройств для различных областей применения. Эти области применения могут включать мониторинг биохимических процессов в организме, контроль приема доз лекарственных препаратов или лечебных агентов за счет различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или в ответ на внешние сигналы управления и усиление обменных процессов в органах и тканях. Примеры таких устройств включают инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новой особенно полезной областью применения являются пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодные для ношения линзы могут содержать линзовую приставку, имеющую регулируемый электроникой фокус для увеличения или усиления деятельности глаза. В другом примере, с регулируемым фокусом или без него, пригодные для ношения контактные линзы могут содержать электронные датчики для определения концентрации некоторых химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. При использовании встроенной электроники в сборке линзы может возникнуть необходимость в соединениях с электроникой, способах электропитания и/или перезарядки электроники и ее соединений.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, способен легко адаптироваться к меняющимся условиям освещения и передавать сигналы или информацию в мозг со скоростью, которая превышает скорость высокоскоростного подключения к Интернету. Линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, в нестоящее время применяются для коррекции таких дефектов зрения, как миопия, гиперметропия и астигматизм. Тем не менее, правильно сконструированные линзы содержат дополнительные компоненты, которые могут использоваться как для усиления зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Стандартные контактные линзы являются полимерными структурами определенной формы для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко упомянуты выше. Для достижения повышенной функциональности в эти полимерные структуры встраиваются различные электросхемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные механизмы, светоиспускающие диоды, фотоэлектрические датчики, источники электроэнергии и малогабаритные антенны могут быть встроены в линзу за счет изготовленных по заказу оптоэлектронных компонентов не только для коррекции зрения, но и для его усиления и обеспечения дополнительной функциональности, как это было объяснено в настоящей заявке. Электронные и/или увеличивающие контактные линзы могут быть сконструированы для усиления зрения за счет способности к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения преломляющих способностей линз. Электронные и/или увеличивающие контактные линзы могут быть сконструированы для усиления цветовосприятия и разрешения, для отображения количества контрастов на единицу плотности цели, для перевода слов в подписи в реальном времени, для предложения визуальных подсказок от навигационной системы, для обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть сконструированы для того, чтобы при их ношении пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности или в темноте. Правильно сконструированная электроника и/или расположение электроники на линзе может позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптических линз с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже выдавать предупреждающие сообщения. С другой стороны, или в дополнение к любым из этих функций или схожим функциям контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного наблюдения за биомаркерами пользователя и его показателями здоровья. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту с диабетом принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови за счет анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, соответствующим образом сконфигурированные линзы могут включать датчики как для мониторинга содержания холестерина, натрия и калия, так и для других биологических маркеров. Они соединены с беспроводным блоком передачи данных, что может позволить врачу иметь почти мгновенный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента без траты времени пациента на посещение лаборатории и проведение забора крови.
Правильная комбинация устройств может обладать потенциально неограниченной функциональностью; однако множество трудностей связано со встраиванием дополнительных компонентов на место полимера оптического качества. В целом, по многим причинам представляется затруднительным производство таких компонентов непосредственно с линзой, как и монтаж и соединение плоских устройств с неплоской поверхностью. Также представляет трудности производство компонентов в масштабе и необходимой формы. Компоненты, которые должны помещаться на или в линзу, должны быть уменьшены в размере и встроены в 1,5 квадратных сантиметра прозрачного полимера, который защищает эти компоненты от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая была бы комфортна и безопасна для пользователя при ношении, с учетом дополнительной толщины, необходимой для размещения дополнительных компонентов.
Учитывая область применения и объем изобретения офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и условия, в которых оно должно использоваться, для его технической реализации необходимо преодолеть множество проблем, включая монтаж и соединение многих электронных компонентов на неплоской поверхности, большая часть которой сдержит оптический пластик. Таким образом, существует необходимость для создания электронных контактных линз с надежными механическими и электронными компонентами.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При разработке электрических соединений и механических структур настоящего изобретения были преодолены трудности, которые были кратко изложены выше.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к узлу офтальмологической линзы. Узел линзы содержит неплоскую подложку, линзовую часть, образованную в неплоской подложке, и одного или более электронных компонентов, связанных с этой линзовой частью и установленных на неплоской подложке, где одна неплоская подложка и один или более электронный компонент содержит структуры для механического крепления и структуры для электрического соединения для монтажа одного или более электронного компонента на неплоской подложке.
Настоящее изобретение относится к механическим и электрическим модификациям офтальмологических устройств, если, например, существует необходимость разместить в линзе любое количество электронных/электрооптических устройств. Настоящее изобретение относится к средствам, включающим структуры, возвышающиеся над поверхностью или находятся внутри линзы, которые облегчают монтаж плоских структур на неплоской или сферической поверхности линзы. Настоящее изобретение относится к различным средствам для соединения различных компонентов, которые входят в состав электронных или электрических контактных линз, включая встраивание металлизированных или других электропроводных дорожек в оптический полимер, а также создание сквозных отверстий, благодаря которым может использоваться множество поверхностей или слоев. Настоящее изобретение относится к различным средствам и способам производства безопасных и недорогих контактных линз с дополнительными элементами и/или компонентами.
В соответствии с настоящим изобретением механические и электрические модификации должны быть встроены в любую подходящую контактную линзу безопасным и недорогим способом, включая мягкие контактные линзы для повседневного ношения, одноразовые контактные линзы для повседневного ношения и жесткие газопроницаемые контактные линзы, и пользователь не должен ощущать заметную разницу в комфортности и/ или износостойкости данных линз. Стоимость любых таких контактных линз будет находиться в функциональной зависимости от функциональных возможностей линзы. Например, повышение функциональности обычно приводит к повышению цены.
В соответствии с настоящим изобретением механические и электрические модификации предусматривают крепление полупроводниковых кристаллов к литьевому пластику, оптической сферической подложке с электрическими соединениями между одним или более кристаллом, компонентами и электрически управляемой/ регулируемой оптической линзой или компонентом, который может выполнять полезные офтальмологические функции. Модификации совместимы с современным производством контактных линз и предназначены для производства с низкой стоимостью и большими объемами. Модификации разработаны с учетом условий, в которых они должны использоваться.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Вышеизложенные и прочие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых фигур.
Фиг.1 является схематическим изображением контактной линзы, которая содержит оптические и электронные компоненты, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 является схематическим изображением образца первого варианта осуществления настоящего изобретения, представленного проводящей дорожкой на оптической подложке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 является схематическим изображением образца второго варианта осуществления настоящего изобретения, представленного проводящей дорожкой на оптической подложке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 является схематическим изображением образца третьего варианта осуществления настоящего изобретения, представленного проводящей дорожкой на оптической подложке в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 является схематическим изображением электрооптической системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 является схематическим изображением образца другой электрооптической системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7 является схематическим изображением вида сверху образца кристалла в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.8 является схематическим изображением маски в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.9 является видом сверху и поперечным разрезом маски в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.10 является схематическим изображением вида сбоку образца кристалла и соединений в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Доступные в настоящее время контактные линзы остаются эффективными средствами для коррекции зрения с экономической точки зрения. Тонкие пластиковые линзы располагаются над роговицей глаза для коррекции дефектов зрения, включая миопию (или близорукость), гиперметропию (или дальнозоркость), астигматизм, т.е. асферичность роговицы, и пресбиопию, т.е. потерю сплособности хрусталлика к аккомодации. Доступны различные формы контактных линз, которые могут изготавливаться из множества материалов для обеспечения различной функциональности. Мягкие контактные линзы для повседневного ношения обычно изготавливаются из мягких полимерных пластических материалов, которые соединяются с водой для проницаемости для кислорода. Мягкие контактные линзы для повседневного ношения могут быть однодневными одноразовыми линзами или одноразовыми линзами длительного ношения. Однодневные одноразовые линзы обычно носятся в течение одного дня и затем выбрасываются, в то время как одноразовые линзы длительного ношения носятся до тридцати дней. Для обеспечения различной функциональности цветных мягких контактных линз используются различные материалы. Например, в контактных линзах с оттенком используется светлый оттенок для облегчения поиска пользователем выпавшей контактной линзы, контактные линзы с усиливающим оттенком имеют полупрозрачный оттенок, который способен усиливать естественный цвет глаз пользователя, контактные линзы с цветным оттенком имеют темный, непрозрачный оттенок, который способен изменить цвет глаз пользователя, и светофильтрующие оттеночные контактные линзы необходимы для усиления одних цветов и приглушения других. Жесткие газопроницаемые контактные линзы изготавливаются из силиконовых полимеров, однако они более жесткие, чем мягкие контактные линзы, что позволяет им поддерживать свою форму и делает их более долговечными. Бифокальные контактные линзы специально разработаны для пациентов с пресбиопией и доступны в виде мягких и жестких контактных линз. Торические контактные линзы специально разработаны для пациентов с астигматизмом и также доступны в виде мягких и жестких контактных линз. Комбинированные линзы сочетают различные аспекты вышеописанных линз и также доступны в продаже, как, например, гибридные контактные линзы.
Электрические или электронные контактные линзы настоящего изобретения содержат элементы, которые необходимы для коррекции и/или усиления зрения пациентов с одним или более описанным выше дефектом зрения, или другим дефектом, и выполнения полезных офтальмологических функций. Кроме того, они могут использоваться только для усиления нормального зрения или обеспечения широкого спектра вышеописанных функциональных характеристик. Электронная контактная линза может содержать оптическую линзу с переменным фокусом, которая помещается в переднее оптическое устройство, встроенное в контактную линзу, или электроника встраивается напрямую без линзы для придания любой пригодной функциональности. Электронная линза настоящего изобретения может быть встроена во множество вышеописанных контактных линз. Однако для простоты объяснения описание будет большей частью посвящено одноразовым электронным контактным линзам для коррекции дефектов зрения, которые предназначены для однодневного повседневного ношения.
Обратимся к Фиг.1, где изображена контактная линза 100, которая содержит оптические и электронные компоненты, из-за чего возникает необходимость в электрических и механических соединениях. Контактная линза 100 имеет оптическую зону 102, которая может или не может обеспечивать коррекцию зрения и/или его усиление, которое было кратко описано выше, или, с другой стороны, она может служить лишь подложкой для встроенной электроники, которая обладает любой пригодной функциональностью. В иллюстрированном примерном варианте осуществления настоящего изобретения полимер/пластик, образующий оптическую зону 102, удален, так как он образует подложку 104, на которую монтируется электроника. Такие электронные компоненты, как полупроводящие кристаллы 106 и аккумуляторы 108, механически и электрически монтируются к подложке 104. Проводящие дорожки 112 электрически соединяются с электронными компонентами 106 и 108 на подложке 104. В иллюстрированном примерном варианте осуществления настоящего изобретения проводящая дорожка 112a соединяет полупроводящий кристалл 106 с передним оптическим электродом 114, и проводящая развертка 112b соединяет полупроводящий кристалл 106 с задним оптическим электродом 116. Клеевой слой 118 может использоваться для соединения передних и задних оптических устройств; однако могут применяться и любые другие средства соединения двух слоев, или дизайн может подразумевать использование только одного слоя.
Оптическая зона 102 контактной линзы 100 может иметь сферическую конструкцию для оптимизации положения контактной линзы 100 на глазу и в упаковке контактной линзы. Таким образом, при соединении оптического устройства с такими плоскими компонентами, как полупроводящий кристалл 106, может возникнуть необходимость в создании плоской поверхности для соединения с кристаллом. Это может быть достигнуто за счет особенностей подложки 104 и/или кристалла 106 описанным ниже способом.
Фиг.2 изображает первый образец подложки 200, которая была изготовлена и металлизирована для механических и электрических соединений без монтажа на ней каких-либо электрических или электронных компонентов. По существу, Фиг.2 очень подробно изображает оптическую часть 102 и подложку 104 контактной линзы 100 с Фиг.1 с акцентом на проводящих дорожках 112 без электроники, которые перерисовываются как проводящая дорожка 202. Стойки 204, 206 и 208 являются структурами, образованными на подложке 200, и могут быть получены путем литья и/или механической обработки пластика при помощи методов, которые известны в данной области техники. Стойки 206 и 208 металлизируются и затем могут быть электрически соединены с соответствующими контактными столбиками, шариками припоя или другими соединительными структурами на кристалле (не показано). Стойка 204 не металлизируется и может служить только как механическая опора, образующая трехточечный плоский контакт при соединении со стойками 206, 208 и кристаллом. В дополнение к обеспечению электрического соединения и плоскостной механической опоры кристалла, стойки позволяют создать зазор между кристаллом и подложкой, которая может использоваться для недозаполнения при помощи метода, который известен в данной области техники и способствует улучшению монтажа кристалла и надежности соединения. Металлизированная подложка линзы 200 может также содержать дорожки и соединения между электронными компонентами и функциональной линзой. Например, проводящая дорожка 210 может соединять электронный компонент (не показан), соединенный с проводящей дорожкой 202, с кольцом электрода 212 в сборке линзы. Ниже приведено подробное описание этих электропроводных дорожек 112, как и методов изготовления проводящих дорожек 112. Важно отметить, что пластик/полимер, образующий контактную линзу 100, может содержать любой подходящий биосовместимый материал, который обычно используется для подобных целей.
В альтернативном примерном варианте осуществления настоящего изобретения вместо стоек используются возвышающиеся фрагменты или ребра. Фиг.3 изображает образец оптической подложки 300, которая была изготовлена и металлизирована для механических и электрических соединений без монтажа на ней каких-либо электрических или электронных компонентов. Как показано на фигуре, возвышающиеся ребра 302 и 304 были получены путем литья или механической обработки оптической подложки 300. Как и стойки, изображенные на Фиг.2, возвышающиеся ребра 302 и 304 могут или не могут быть металлизированы. В примерном варианте осуществления настоящего изобретения возвышающиеся ребра 302 и 304 металлизированы. Эти ребра 302 и 304 образуют плоский контакт с полупроводниковым кристаллом (не показан) или любым другим компонентом, который может быть монтирован на подложке 302. В дополнение к обеспечению электрического соединения и плоскостной механической опоры кристалла, стойки позволяют создать зазор между кристаллом и подложкой, которая может использоваться для недозаполнения при помощи метода, который известен в данной области техники и способствует улучшению монтирования кристалла и надежности соединения.
Фиг.4 изображает другой альтернативный примерный вариант осуществления настоящего изобретения для создания плоской границы между сферической линзой и плоским кристаллом. Узел 400 содержит контактную линзу 408, которая содержит полимерный биосовместимый материал, который обычно используется при производстве контактных линз. Оптическая линза 402 и электронная подложка 404 схожи с таковыми, изображенными на Фиг.1 - 3, за исключением планарного рельефа 406, который был получен путем механической обработки или литья полимера/пластика для создания подходящей поверхности для монтажа и подсоединения плоского кристалла 410. Этот метод может комбинироваться с другими методами, которые были приведены в настоящей заявке, например, для незаполнения могут использоваться стойки.
Обратимся к Фиг.5, где изображена примерная электрооптическая система 500, состоящая из электроактивной линзы 502, электронного блока управления 504 и аккумулятора 506. Когда аккумулятор 506 изображается как часть системы 500, важно отметить, что при этом могут использоваться другие средства, включая другие устройства хранения, индуктивные зарядные устройства и конструкции или конфигурации для аккумулирования энергии. В дополнение к трем основным компонентам в зависимости от назначения в системе могут присутствовать другие функциональные блоки. Электронный компонент 504 может быть полупроводниковым кристаллом, содержащим множество функциональных блоков. Например, блок 508 может содержать цифровую систему управления, блок 510 может содержать драйвер линзы, блок 512 может содержать средства для подачи тока подмагничивания на другие схемы или функциональные блоки в кристалле 504, блок 514 может содержать оптический датчик, который испускает видимое, инфракрасное и/или другие формы электромагнитного излучения, и блок 516 может содержать изоляционную область или электрическую схему, которая не чувствительна к фототоку. При использовании фотодатчика область вокруг датчика может подвергаться воздействию излучения, в то время как непрозрачный светоблокирующий слой 518 может быть использован для защиты других электросхем от падающего или случайного излучения. Это важно из-за того, что в области электроники широко известно, что случайное излучение может вызывать фототоки в полупроводниковых электросхемах, что может приводить к нежелаемым эффектам. Проводящие дорожки 520 и 522 соединяют линзу 502 с электронным компонентом 504, и проводящие дорожки 528 и 530 соединяют аккумулятор 506 с электронным компонентом 504. Эти проводящие дорожки 520, 522, 528 и 530 могут быть осуществлены при любом количестве подходящих направлений, что более подробно рассматривается далее в настоящей заявке. Проводящие дорожки 520 и 522 соединяются с электронным компонентом 504 за счет соединений 524 и 526 соответственно, и проводящие дорожки 528 и 530 соединяются с электронным компонентом 504 за счет соединений 532 и 534 соответственно. Данные соединения также более подробно рассматривается далее в настоящей заявке.
Фиг.6 является схематическим изображением примерной электрооптической системы 600 с подробным указанием дорожек и соединений. Примерная электрооптическая система 600 состоит из линзы 602 и электронных компонентов 604, 606 и 608. Дорожки и соединения также изображены и описаны ниже. В иллюстрированном примерном варианте осуществления настоящего изобретения электронный компонент 604 содержит полупроводниковый кристалл драйвера линзы, электронный компонент 606 содержит кристалл микроконтроллера и электронный компонент 608 содержит кристалл фотодатчика. Контактный столбик 610 изображен на кристалле микроконтроллера 606 общепринятым образом для полупроводниковой промышленности. Перераспределяющий слой, или ПРС (не показан), наносится на кристалл 606. Этот перераспределяющий слой включает проводящие металлические дорожки и электроизоляционный диэлектрик. Новый контактный столбик 614 создан с перераспределяющим слоем. Проводящая дорожка 612 образуется за счет металлизации перераспределяющего слоя и соединяет неизмененный контактный столбик 610 с контактным столбиком с перераспределяющим слоем 614. Это перераспределение желательно для соединения контактной линзы для увеличения диаметра соединения и размещения этого соединения в определенном желаемом положении. На оптической подложке, как было показано на приведенных ранее фигурах, дорожка 616 соединяет контактный столбик с перераспределяющим слоем 614 с аналогичным контактным столбиком с перераспределяющим слоем 618 на компоненте 604. Аналогичные перераспределительные дорожки, контактные столбики и дорожки подложки соответствуют соединениям между компонентами 602 и 604, 606, 608, 604 и другими компонентами на линзе, которые не были показаны, например, соединению с аккумулятором.
Фиг.7 изображает созданный образец кристалла 700, который имеет шесть соединений, которые имеют форму выступов 702. Как было описано ранее, такие выступы 702 могут быть добавлены на перераспределяющий слой и могут находиться в таких участках, где не могут находиться неизмененные контактные столбики, которые не изображены на фигуре. Выступы 702 могут быть созданы в соответствии с общепринятой практикой производства перераспределяющих слоев, например, путем маскирования и конденсации из паровой фазы (КПФ) таких металлов, как золото или медь. Выступы 702 могут изготавливаться с различной высотой, например, за счет изменения времени конденсации. Все выступы могут конструироваться плоскими, или некоторые выступы могут быть сделаны выше в связи со сферичностью поверхности подложки, что не показано на этом фигуре. Выступы 702 могут быть покрыты специальными металлическими покрытиями, например, иммерсионным золочением по подслою никеля, ENIG, для защиты соединения от коррозии и обеспечения приемлемости припоя, или другими гальванопокрытиями, которые обычно используются в промышленности. Выступы 702 могут также покрываться шариками припоя, которые не показаны на данной фигуре, или другими материалами для облегчения их монтажа.
Фиг.10 изображает кристалл 700 на Фиг.7 с другой точки зрения. В этом примерном варианте осуществления настоящего изобретения выступы 1004 изготовлены на кристалле электронного компонента 1002, который может быть изготовлен из любого подходящего материала, такого как силикон. Столбиковые выводы 1006 могут быть помещены на выступах 1004. Столбиковые выводы 1006 могут содержать шарики припоя, проводящую эпоксидную смолу или любой другой подходящий материал. Верхушки выступов 1004 и столбиковые выводы 1006 позволяют механически и электрически соединить плоский кристалл 1002 со сферической или неплоской подложкой 1008. Выступы 1004 и столбиковые выводы 1006 создают высоту опоры, изображенную линией 1010, которая обеспечивает подзаливку материалом зазора между кристаллом 1002 и сферической или неплоской подложкой 1008, тем самым осуществляя жесткое механическое соединение. Выступы 1004 и столбиковые выводы 1006 могут быть сконструированы для получения одинаковой высоты, или каждая комбинация может конструироваться в индивидуальном порядке для соответствия сферической или неплоской поверхности подложки 1008. В альтернативном примерном варианте осуществления настоящего изобретения столбиковые выводы 1006 могут быть изготовлены из жидкого отверждаемого проводника. Такие жидкие отверждаемые проводники могут заполнять пустоты между выступами 1004 и сферической или неплоской подложкой 1008, особенно если все выступы 1004 имеют одинаковую высоту, и сферическая или неплоская подложка 1008 существенно изогнута. Объем жидкого отверждаемого проводника, распределенного по определенному выступу 1004 и/или сферической или неплоской подложке, должен точно контролироваться для оптимизации высоты, стоимости, электрической и механической прочности.
Обратимся к Фиг.8, где изображена конструкция маски 800 для образца кристалла. В этом примерном варианте осуществления настоящего изобретения испытуемый кристалл создается для облегчения испытания соединения с последовательным подключением; однако приведенный здесь метод может быть применен к функционирующему кристаллу в таком устройстве для коррекции или усиления зрения, как электрические или электронные контактные линзы. Один маскирующий слой содержит только такие дорожки, как 804, с отверстиями в маске в указанных областях. Эти отверстия в маске позволяют металлу во время конденсации из газовой фазы проходить через маску и осаждаться на кристалле. Закрытые области остаются изолированными и не покрываются металлом. Отверстия для контактных столбиков, такие как 802, находятся в другом маскирующем слое, например, для нанесения дополнительной металлизации или припоя.
Фиг.9 изображает маску сверху 900 и в поперечном сечении 902. Такая маска может использоваться, например, для проведения металлизации, как показано на Фиг.2. Маска 900 и 902 может быть создана из материалов, которые обычно используются для маскирования путем конденсации из газовой фазы, например, из нержавеющей стали. Отверстия в маске 904 и 906 позволяют металлу проходить через маску и накапливаться в подложке описанным ранее образом. Эти отверстия могут быть получены в ходе машинной обработки подходящего маскирующего материала и конструкции, например, путем лазерного травления. Поперечное сечение 902 изображает трехмерную маску, которая подходит для металлизации сферической поверхности. Такая маска может быть получена путем комбинации существующих и инновационных методов, например, лазерного травления плоского гладкого листа нержавеющей стали с последующей штамповкой для придания сферической формы. Отверстия могут быть специально сконструированы для получения желаемой геометрии при придании сферической формы. С другой стороны, может использоваться плоская маска с отверстиями, которые специально сконструированы для получения желаемой геометрии следа, отражаемого сферической подложкой в конденсации из паровой фазы или другом процессе металлизации.
Наиболее предпочтительно, чтобы использование электрических соединений и креплений кристалла в контактных линзах и/или электрических офтальмологических линзах, которые были описаны в настоящей заявке, преодолевало многие нижеизложенные трудности или проблемы. Обычные подложки для электрических соединений не имеют оптических качеств. Обычные подложки для электрических соединений ровные/плоские и не предназначены для использования или монтажа на сферической поверхности. Эти две проблемы включают способы для создания дорожек на сферической поверхности, крепление к поверхности одного или более плоского кристалла и фиксацию вставок контактной линзы для обработки соединения. Для производства в больших объемах может быть необходима специальная фиксация. Создание электрических дорожек и контактов на подложке обычно включает использование металлизации, химических соединений и/или температур, которые могут быть вредны для пластика оптического качества. Монтаж кристалла обычно включает применение высокой температуры, например, оплавление припоя происходит при 250 градусах Цельсия, а эпоксидная смола отверждается при 100-200 градусах Цельсия, и давления, которое может разрушать пластик оптического качества. Монтаж кристалла и компонентов также обычно включает этапы химического промывания, например, удаление остатков флюса, которые могут представлять опасность для пластика оптического качества или оставлять свои следы, которые могут требовать дополнительной очистки. Столбики, шарики припоя и другие опоры могут существенно увеличивать высоту кристалла. В контактной линзе доступная высота опор, например, менее или равна 130 мкм. Подзаливка и многослойное литье также обычно существенно увеличивает общую высоту сборки. Многослойное литье электронного кристалла должно скруглять острые углы для безопасности и простоты нанесения дополнительных покрытий, должно быть совместимым с дополнительными покрытиями, например, силикон-гидрогелем, и при этом оставаться тонким. Подзаливка и многослойное литье также позволяют соединениям оставаться надежными при возникновении обычного напряжения в контактной линзе, например, при ее одевании и снятии. Возможные способы создания узлов электронных контактных линз могут включать собранный электронный модуль (подложка+ кристалл+ аккумулятор), который погружен в физиологический раствор, например, для узлов линз с переменным фокусом или когда итоговая контактная линза гидратирована и готова к хранению. Поэтому для этой упаковки электроники необходима гидроизолирующая прокладка, что не типично. Контактная линза может храниться в упаковке с физиологическим раствором в течение шести лет. В одном примерном подходе металлизация оптического устройства с переменным фокусом происходит отдельно от дорожек на монтажной плате. В альтернативном примерном варианте осуществления настоящего изобретения возможно использовать один процесс металлизации для дорожек и оптических устройств с переменным фокусом, тем самым уменьшая количество этапов процесса металлизации (что потенциально уменьшает его стоимость и повышает доходность) и также уменьшая потребность в соединении между монтажной платой и оптической линзой с переменным фокусом. После металлизации может быть необходимо нанесение диэлектрического покрытия. Электрические требования для использования линзы могут быть не такими строгими, как требования для использования обычной монтажной платы. Примерная электрооптическая структура имеет сопротивление приблизительно два (2) гигаома. Большее сопротивление между дорожками нежелательно, или по меньшей мере одна дорожка должна согласовывать потребление тока с учетом сложности соединения. Более того, хотя электроактивная линза может казаться высокорезистивной нагрузкой, соединения линзы могут выдерживать последовательное сопротивление величиной в несколько Ом или, возможно, даже сотни Ом. Поскольку система является маломощной, например, средний потребляемый ток составляет два (2) микроампера, она может выдерживать большее сопротивление на дорожках без существенного падения напряжения.
В одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения решением проблемы была однокристальная специализированная интегральная схема (ASIC), которая включала оптический датчик на кристалле. Он требует наличия светопропускающей и светоизолирующей области на активной поверхности кристалла, которая обычно незаполнена для монтажа методом перевернутого кристалла. Светоизоляция необходима, поскольку попадающий на кристалл свет вызывает фототок, который нарушает работу схемы, в особенности схем, которые были сконструированы для работы на нижнем пороге тока (индуцированный фототок превышает нижний порог тока). Необходимость в двух отдельных кристаллах или расстоянии между фотодатчиками и другими схемами на кристалле повышает стоимость изделия. Светоизоляция также необходима на задней стороне кристалла, которая обычно образуется путем многослойного литья. Светоизоляция также необходима по краю кристалла, что вызывает опасения относительно его общей толщины, поскольку кристалл обычно имеет острый край.
Поскольку желательно уменьшение площади кристалла, например, для увеличения площади аккумулятора и/или уменьшения видимых компонентов в контактной линзе, желательно размещение одиночного кристалла. Если системные требования, например, ток потребления, динамический диапазон и свойства, не могут быть реализованы при помощи отдельного кристалла с заданной площадью и однопроцессорным узловым соединением, должна использоваться вертикальная сборка кристаллов. Такие общеизвестные методы в данной области техники включают утончение кристалла, фиксацию кристалла и создание тонких электрических и механических соединений внутри него. Такие вертикальные сборки кристаллов могут затем прикрепляться к оптической подложке как одиночное устройство. Поскольку также желательно, чтобы электронная контактная линза была настолько прозрачна, насколько это возможно, в ней могут использоваться компоненты, которые соответствуют сферической поверхности линзы, а не остаются плоскими. Для уменьшения общей толщины контактной линзы могут использоваться методы утончения силиконового кристалла до степени, при которой он пропускает свет и стает гибким. Такие известные методы в данной области техники включают фиксацию и различные методы утончения. Для схем также могут использоваться другие подложки, например, тонкое стекло или полимеры, которые могут быть гибкими и/или прозрачными. Схемы также могут изготавливаться на такой классической подложке, как силикон, а затем монтироваться к оптической подложке, после чего для уменьшения толщины удаляется классическая подложка. Схемы также могут напрямую крепиться к оптической подложке, после для уменьшения толщины удаляется классическая подложка. Схемы также могут напрямую монтироваться на оптическую подложку вне зависимости от такой классической подложки, как силикон.
Предпочтительно, чтобы соблюдались требования к вымыванию выщелачиваемых продуктов из контактной линзы. Электрические соединения обычно включают химические соединения, которые могут считаться опасными, например, медь, свинец и олово. Предпочтительно, чтобы количество этих материалов было ограничено и/или использовались барьеры для предотвращения их вымывания. Продукт должен производиться в соответствии с проектированием с учетом экологических требований (DFE), правилами ограничения содержания вредных веществ (RoHS) и аналогичными требованиями касательно экологически рационального производства, ответственной утилизации и снижения применения опасных материалов, например, свинца и ртути.
Типичные электрические соединения имеют небольшой размер и представлены в большом количестве, и, следовательно, имеют высокую плотность, например, десять соединений на квадратный миллиметр. Типичные соединения в перевернутом кристалле также предназначены для передачи высокочастотных сигналов, примером может служить цифровая шина. Для некоторых вариантов применений контактной линзы (вероятно, только четырех) необходимо несколько соединений с низкой плотностью на приблизительно один квадратный миллиметр. Предпочтительно, чтобы соединения были оптимизированы с точки зрения их доходности, надежности и материалов, а не плотности и частоты сигналов. Предпочтительно, чтобы был достигнут компромисс между техническими характеристиками литья под давлением оптического пластика, например, добавлением плоских поверхностей, добавлением соединительных столбиков или ребер, и техническими параметрами монтажа кристалла, например, добавлением медных выступов и использованием жидкой отверждаемой проводящей эпоксидной смолы для заполнения зазоров. Типичный кристалл конструируется с накристальной электросхемой для уменьшения повреждающего действия электростатического разряда (ЭСР). Размер схем, и, следовательно, размер кристалла, обычно увеличивается параллельно увеличению невосприимчивости к ЭСР. Эти схемы могут также негативно сказываться на потреблении тока электронной системой. Настоящее изобретение стремится оптимизировать размер этих схем, ток утечки, процесс монтажа кристалла, подзаливку для защиты от ЭСР и многослойное литье при контакте с электронной контактной линзой.
Аккумуляторы обычно пакуются отдельно от электронных дорожек. Для уменьшения размера изобретения и комбинирования этапов процесса производства, и, как следствие, уменьшения стоимости, настоящее изобретение стремится к использованию тех же соединительных дорожек, что и в токосъемнике для аккумуляторов, которые находятся на оптической подложке. Возможно, что это приведет к появлению дополнительных требований к дорожкам, например, их металлизации и совместимости с материалами анода и катода. В связи с видимостью узла на глазу пользователя при ношении и важности зрительного контакта глаза-в-глаза при взаимодействии людей материалы, которые обычно используются для изготовления проводящих дорожек и других структур, могут также быть отражающими или непрозрачными для достижения приемлемой эстетичности контактных линз. Соответственно, для уменьшения видимости этих компонентов могут использоваться другие материалы.
Следовательно, количество используемых способов для создания и/или реализации проводящих дорожек на оптическом пластике/полимере, как и способов монтажа, зависит от преодоления вышеописанных трудностей. Один способ может включать конденсацию с последующей абляцией. В этом процессе металл конденсируется на пластике, а затем избирательно удаляется для образования желаемых дорожек. Точность требуется при абляции, которая производится, например, лазером, и не требуется при конденсации. Альтернативный примерный способ состоит в использовании маскированной конденсации. В этом процессе для образования желаемых дорожек металл конденсируется с использованием маски. Маска имеет сложное строение в соответствии со сферической поверхностью. В другом альтернативном примерном способе используется жидкий отверждаемый проводник. В этом процессе дорожки печатаются при помощи жидких чернил/эпоксидной смолы, которая отверждается с образованием проводящей дорожки, например, при помощи имеющегося оборудования, которое предназначено для точного дозирования. В еще одном альтернативном примерном способе может использоваться бесконтактный индуктивный метод. Другими словами, создание соединения между узловыми соединениями с адаптерами не зависит от электрического соединения. Для линз с переменным фокусом и приводом переменного тока антенная катушка на линзе (вторичная) должна соединяться с катушкой (первичной) на схеме возбуждения. В другом альтернативном примерном способе может использоваться специальное оборудование для фиксации и сборки. Например, специальные фиксаторы могут использоваться для удерживания оптических подложек во время конденсации, травления и лазерной обработки. Другими словами, может быть сконструировано специальное оборудование для удержания тонких подложек во время сборки и электрических испытаний, такое как, например, автоматизированная зондовая установка.
44,7
22,6
19,1
5,3
8,3
49
18
12
21
Для монтажа кристалла также может использоваться множество методов. Может использоваться низкотемпературный припой, например, BiPbInCdSn или BiPbSnIn. Также может использоваться точечная пайка. В отличие от пайки, при которой нагревается вся оптическая подложка, лазер нагревает только используемое паяное соединение. Другим альтернативным средством для крепления является жидкая отверждающаяся проводящая эпоксидная смола. Проводящая эпоксидная смола широко применяется при монтаже кристалла. Были испытаны проблемы с доходностью и надежностью производства при использовании контактных площадок ИС с диаметром семьдесят пять (75) мкм и интервалом пятьдесят (50) мкм (интервал между неизмененными контактными столбиками на микроконтроллере). Маленькие контактные площадки удерживали небольшое количество эпоксидной смолы, что приводило к получению слабого соединения. Малый интервал, вероятно, уменьшал расстояние между контактными площадками. Для преодоления и избежания этих проблем были использованы контактные площадки большего размера (с диаметром 150-250 мкм) с большим шагом (также превышающим 150 мкм). Также может быть использован фотоструктурированный проводящий полимер. Фотоструктурированный проводящий полимер может использоваться при наличии пластикового покрытия. Выбранные области могут быть маскированы и протравлены для образования дорожек при помощи ультрафиолетового излучения. Другим примерным альтернативным средством может быть анизотропная проводящая пленка. В анизотропной проводящей пленке используются проводящие частицы, которые были распределены на диэлектрической ленте или осаждены на пленку. Соединения были сделаны под давлением и при нагревании. Для использования обычной проводящей пленки требуется температура около 200 градусов Цельсия и давление около 100 МПа, что является проблематичным. Может использоваться ультразвуковой/ термоультразвуковой способ образования соединений. Непосредственные соединения металл/металл могут быть получены при помощи ультразвуковой энергии, температуры и давления. Золотые контактные выводы представляют собой другое альтернативное средство. Золотые контактные выводы обычно используются при креплении кристалла проводящей эпоксидной смолой. Их применение в рамках настоящего изобретения проблематично в связи с их стоимостью и диаметром. Они обычно имеют диаметр 25 мкм (один (1) мил перед чеканкой), однако контактные площадки должны иметь диаметр 150-250 мкм. На контактной площадке должно находиться множество золотых выводов. Также могут использоваться медные выступы. Медные выступы, и, возможно, выступы с покрытием из золота и никеля, могут использоваться для соединения кристалла с оптическим устройством. Выступы могут иметь концы из низкотемпературного припоя для образования соединений с контактными площадками на пластике. Это может позволить сократить продолжительность нагревания кристалла и оптики, тем самым существенно снижая вероятность повреждения оптического устройства. Другой альтернативой являются стойки на оптическом устройстве. Пластиковые стойки могут быть отлиты под давлением в виде столбиков, ребер или площадок. Затем могут быть добавлены проводящие дорожки, включая стойки. Такие стойки из литьевого пластика добавляются к общей конструкции, которая образуется путем литья под давлением. Стойки могут конструироваться для разграничения разных деталей на кристалле, образуя соединения, которые не требуют использования эпоксидной смолы или припоя. Фрагменты из литьевого пластика также могут быть гибкими, что позволяет удержать кристалл на месте, в то время как гибкие элементы опускают кристалл ниже уровня контактных столбиков. Может использоваться метод фокусированного ионного пучка (ФИП). При помощи метода фокусированного ионного пучка за счет встраивания ионов изолятора и проводника медленно образуется металл, изолятор или изолированные металлические развертки. Метод фокусированного ионного пучка может использоваться для травления любого нежелательного металла или изолятора на небольших участках поверхности. Затем к оптическому устройству монтируется вертикальная сборка кристаллов, которая представляет собой другое альтернативное средство фиксации. Для придания большей плотности можно использовать классические методы вертикальной сборки, например, с применением большей плотности, большей скорости, шариков припоя и сквозных отверстий в кремнии для присоединения запоминающего устройства к процессору, а затем присоединить этот модуль к оптической подложке при помощи новых низкотемпературных методик. Могут использоваться специальные фиксаторы. Можно создать специальные фиксаторы для удерживания сферической подложки в рабочей станции для присоединения кристалла или технологической линии, которая доступна на этом производстве. Может использоваться метод перераспределительного слоя. Метод перераспределительного слоя заключается в нанесении слоя на верхнюю поверхность неизмененных контактных столбиков кристалла, которые обычно имеют диаметр 75 мкм и близко расположены друг к другу, для получения больших контактных столбиков, например, с диаметром 150-250 мкм, которые находятся на большем расстоянии друг от друга. Соединения также могут быть образованы между соединительными узлами для уменьшения общего количества контактных площадок.
Также может использоваться множество методов подзаливки, многослойного литья и светоизоляции. Может использоваться стандартная подзаливка; однако он обычно изолирует свет и может иметь высокую температуру отверждения и/или длительное время отверждения. Оптически прозрачная подзаливка может применяться при условии пропускания света, однако она может иметь высокую температуру отверждения и/или длительное время отверждения, и может быть компромиссным выбором в сравнении со стандартной подзаливкой. Существует компромисс между обычной продолжительностью отверждения подзаливки и температурой. Этот компромисс может использоваться для разрешения проведения отверждения при более низкой температуре или наоборот, может применяться подзаливка с более низкой температурой отверждения. Может использоваться окно вставки. Такое окно вставки может помещаться между кристаллом и подложкой, позволяя соединять прозрачные и непрозрачные области. На ИС может использоваться толстый металл. Для светоизоляции на верхний слой в качестве рабочего варианта может быть добавлен толстый слой металла. На ИС может наноситься светоизолирующий слой. На верхнюю поверхность кристалла могут быть нанесены дополнительные светоизолирующие слои. Может использоваться стандартное многослойное литье. Стандартное многослойное литье может быть слишком толстым. Может использоваться многослойное литье с окрашиванием. Для покрытия задней стороны кристалла может использоваться окрашивание. Может использоваться париленовое покрытие. Парилен может использоваться для электроизоляции кристаллов, дорожек и соединений. Может использоваться силиконовое покрытие. Силикон может использоваться при многослойном литье, возможно его сочетание с другими материалами. Он также может служить резервуаром кислорода, который может способствовать биосовместимости контактной линзы.
В целом процесс производства может включать следующее: литую подложку из оптического пластика/переднее оптическое устройство; отдельное литое заднее оптическое устройство; металлизированную подложку; структуры для крепления кристалла; подзаливку/многослойное литье кристалла; присоединение аккумулятора; париленовое покрытие; сборку жидкой линзы и присоединение заднего оптического устройства; нанесение дополнительной изоляции/заливки/покрытия; герметизацию кремний-органической смолой; литье гидрогеля под давлением или свободное формование/гидратацию линзы; дезинфекцию линзы; упаковывание в раствор; хранение; активирование и использование; и, в конечном счете, утилизацию.
Несмотря на то что показанные и описанные здесь варианты осуществления, считаются наиболее практичными и предпочтительными вариантами, ясно, что специалистам в данной области техники представляются возможности отступления от установленного исполнения и методов, показанных и описанных здесь, которые могут найти практическое применение, не выходя за рамки формулы изобретения и не нарушая его сущности. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными конструкциями, описанными и показанными здесь, но все конструкции изобретения должны согласовываться со всеми модификациями, которые могут подпадать под формулу настоящего изобретения.