CN101380257A - 柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统技术领域的柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法，以聚氯代对二甲苯为柔性基底和绝缘材料，制备出由若干个微电极敏感元排列构成的微电极阵列，同时制作出电极引线及引线焊点，构成一个柔性视网膜凸点微电极芯片，这种微电极芯片植入人眼视网膜部位，可实现与视网膜神经细胞安全有效地接触，有效降低刺激脉冲电流，减少微电极植入时对生物组织造成的插入损伤，提高电刺激和神经信号记录的效果，从而更好地恢复视觉功能。本发明采用聚氯代对二甲苯作为柔性电极基底，其优异的电绝缘性能和机械性能，能够较大程度提高微电极芯片的生物相容性，且长期稳定性好。本发明采用MEMS工艺，实现了微电极功能单元和柔性基底的集成。

Description

柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置及方法，具体涉及一种柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法。

背景技术

视网膜是视功能的策源地，是光刺激转换成视觉神经冲动的所在。对于视网膜病变，如与年龄相关的黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)等引起的失明，植入视网膜微电极芯片是恢复视觉的潜在手段。其基本原理是：由植入物假体感觉外界光信号，经过一些特定的信号处理，转换成生物电信号，刺激并激活视神经细胞及其连接网络，然后经视神经将电信号传至大脑视中枢，从而产生视觉。

柔性视网膜微电极芯片是一种以柔性材料为基底，表面具有多个阵列式的金属材料微电极敏感单元，植入视网膜区域，为视网膜神经细胞层提供特定形式电刺激的生物芯片。采用柔韧性较好的聚合物材料作为视网膜微电极的基底，具有很好的弯曲性，能够最大化接触面积，达到有效刺激神经的目的，是检测和记录神经信号的极好工具，尤其是作为视网膜的修复物，用来治疗AMD和RP患者，有着极大的医学价值和应用前景。

目前，柔性视网膜微电极芯片的基底材料主要有聚酰亚胺(polyimide)和聚对二甲苯(parylene)。研究表明：Polyimide和人体组织有着良好的相容性，生物稳定性较好，但其在电绝缘性、吸水性以及抗拉强度等方面均存在一定的局限性。与polyimide相比，parylene具有更为优异的性能，如Parylene的吸水率不到Polyimide的1/10，利于长期植入，杨式模量是Polyimide的4倍，抗拉强度相对较大。此外，Parylene采用独特的化学气相沉积(CVD)聚合工艺，在室温下沉积而成，避免了高温处理工艺，与常规微机电系统(MEMS)工艺兼容性较好。

Parylene是20世纪60年代由美国Union Carbide公司开发成功的新型敷形涂层材料。这种室温沉积的涂层厚度均匀、致密无针孔、透明无应力，有优异的电绝缘性和隔离防护性能，同时具有很好的机械性能。Parylene具有较好的生物相容性，是一种坚韧、透明、有自润滑性和良好均匀性的高分子涂敷材料，目前已通过了美国食品与药物管理局(FDA)认证，被美国药典(USP)列为可用于各种植入的第VI类医用塑料。在国外除了心脏起搏器用parylene进行可靠的绝缘防护外，神经刺激电极、植入式传感器、血液分析传感器和高频手术刀等微型电子医疗器械，也都有使用parylene的报道。由此，采用Parylene作为视网膜微电极的基底和封装材料，有望增加植入成功率及长期稳定性。对于光感受器丧失的AMD和RP患者，这种柔性微电极芯片可替代视网膜的部分功能，使失明或濒于失明的患者获得部分有用视力。

经对现有技术的文献检索发现，周洪波等人在《光学精密工程》(Vol 15，No.7，2007，1056-1063)上发表了“简易低成本柔性神经微电极制作方法”一文，该文提及中国科学院上海微系统与信息技术研究所赵建龙研究小组采用Polyimide作为微电极的基底和绝缘材料，借助传统的平面加工工艺制作视网膜微电极芯片。顶部Polyimide绝缘层采用正性光刻胶显影液显影后，微电极刺激位点深陷于Polyimide绝缘层包围的区域内，从而增大了刺激位点与神经组织之间的距离，降低了电刺激的效果。目前国际上基于聚合物材料制作柔性微电极一般都采用平面工艺，无法实现电极位点与神经间良好的接触，加工的结构也相对比较简单，从而影响了神经刺激或信号记录的效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法，本发明的电极芯片能有效降低刺激脉冲电流，减少对神经及其周围组织引起的热损伤，减少微电极植入时对生物组织造成的插入损伤，提高电刺激和神经信号记录的效果；电极芯片采用Parylene作为柔性电极基底，能够较大程度地提高微电极芯片的生物相容性，长期稳定性好，其透明的材质，给手术植入过程带来了很大的便利；同时可以高效率地批量实现柔性视网膜微电极芯片的制作。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及一种柔性视网膜凸点微电极芯片，包括：柔性基底、微电极阵列、电极引线、引线焊点阵列和绝缘层，其中，微电极阵列、电极引线均设置在柔性基底上，微电极阵列由若干微电极敏感元按矩阵形式排列而成，每个微电极敏感元经由引出的电极引线连接到引线焊点阵列中对应的焊点，电极引线表面设有绝缘层，微电极敏感元和引线焊点暴露在外界，表面不设绝缘层。

所述柔性基底和绝缘层，其材料均为聚氯代对二甲苯(Parylene-C)。

所述微电极阵列，其材料为金(Au)，微电极阵列作为与神经组织直接接触时的电极刺激位点，具有16～64个微电极敏感元；

所述微电极敏感元，其为任意形状，如圆形、矩形、菱形等，其表面积为100μm²～4000μm²，高度为5μm～50μm。

所述电极引线，其材料为金(Au)，其排布方式根据微电极敏感元构成的阵列的尺寸和形状确定，其作用是引出从微电极敏感元构成的阵列获得的电信号；

所述电极引线，其线宽为30μm～80μm，长度为0.5cm～4.0cm。

所述引线焊点阵列，其中的焊点的材料为金(Au)，作为微电极引线的焊点，实现微电极阵列、电极引线与外部器件之间的电连接；

所述引线焊点阵列，其中的焊点可为任意形状，表面积为0.09mm²～1.0mm²。

所述微电极阵列，其所占微电极芯片的区域面积为2mm²～6mm²。

所述引线焊点阵列，其所占微电极芯片的区域面积为20mm²～60mm²。

本发明还涉及一种柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，采用高温湿氧氧化工艺，温度控制在950℃～1150℃，利用氢氧合成水汽氧化硅片，在任意取向的单晶硅片上沉积2μm～5μm厚的SiO₂，这层SiO₂作为后面微电极芯片释放过程的牺牲层；

步骤二，在SiO₂上，采用化学气相沉积聚合工艺来制备第一层Parylene，作为微电极的柔性基底；

步骤三，在Parylene上旋涂正性光刻胶，曝光显影后得到光刻胶图案，采用射频磁控溅射工艺，在光刻胶图案上方依次沉积

的铬(Cr)膜和

的Au膜，然后将片子在丙酮中超声浸洗，去除光刻胶后得到图形化的Cr/Au金属层，分别作为微电极敏感元、电极引线和引线焊点；

步骤四，在Cr/Au金属层上，采用化学气相沉积聚合工艺来制备第二层Parylene，这层Parylene用来封装电极引线，在氧等离子体气氛中，以厚光刻胶作为掩模层，采用反应离子刻蚀(RIE)工艺，将微电极敏感元和引线焊点上方的Parylene刻蚀掉，从而暴露出微电极敏感元和引线焊点，以实现电刺激功能并实现电连接；

步骤五，以光刻胶为掩模，在微电极敏感元上电镀Au至其高度到达与第二层Parylene相同位置；

步骤六，旋涂正性光刻胶、曝光显影后，在微电极敏感元上方形成厚为10μm～80μm的圆柱形厚光刻胶凸点微结构；

步骤七，利用光刻胶在后烘固化过程中仍然具有一定流动性的特点，借助固化时有限的溶剂气体和光刻胶的相互作用，使光刻胶表面的局部尖锐图形平坦化，获得圆滑的厚光刻胶凸点微结构，并消除轻微缺陷；

步骤八，再次旋涂厚光刻胶并曝光显影，然后采用射频磁控溅射法依次沉积

的Cr膜和的Au膜；然后将片子在丙酮中超声浸洗，形成图形化的Au/Cr金属薄层，得到凸点微电极；

步骤九，在氢氟酸溶液中浸泡，将SiO₂牺牲层腐蚀掉，从硅基片上将微电极释放出来。

所述第一层Parylene，其厚度为5μm～20μm。

所述第二层Parylene，其厚度为2μm～10μm。

步骤四中，所述反应离子刻蚀工艺，其工作参数为：射频功率为30瓦，工作压力为30毫托，流量为40毫升/分钟。

步骤七中，所述后烘固化温度设置在180℃～200℃，持续时间为20min～30min。

步骤九中，所述在氢氟酸溶液中浸泡，其氢氟酸溶液的质量分数为1％～2％，浸泡的时间为2min～3min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用传统的平面加工工艺，同时借助剥离工艺(Lift-off)、电镀和光刻胶回流工艺，制备柔性视网膜凸点微电极芯片。这种微电极芯片能有效降低刺激脉冲电流，减少对神经及其周围组织引起的热损伤，提高电刺激和神经信号记录的效果，并且能够减少微电极植入时对生物组织造成的插入损伤。同时，本发明采用MEMS工艺流程化实现了微电极功能单元和柔性基底的集成，可以高效率地批量实现柔性视网膜微电极芯片的制作。

附图说明

图1是本发明中柔性视网膜凸点微电极芯片的结构示意图；

图2是本发明中柔性视网膜凸点微电极芯片的剖视图；

图3是本发明中柔性视网膜凸点微电极芯片的结构设计图；

图4为本发明中柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法的工艺流程图，

图中，图(a)为沉积SiO₂牺牲层，图(b)为沉积底层Parylene，图(c)为蒸发Au/Cr并图形化，图(d)为沉积顶层Parylene并刻蚀出微电极敏感元，图(e)电镀Au至其高度到达与第二层Parylene相同位置，图(f)为旋涂厚光刻胶并图形化，图(g)为光刻胶回流形成圆滑凸点结构，图(h)为溅射Au/Cr并图像化形成凸点电极，图(i)为微电极的释放与成形，图(j)为图(a)-(i)中各图案所标示的材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实施例涉及一种柔性视网膜凸点微电极芯片，包括：柔性基底1、微电极阵列、电极引线3、引线焊点阵列4和绝缘层5，其中，微电极阵列、电极引线3均设置在柔性基底1上，微电极阵列由若干微电极敏感元2按矩阵形式排列而成，每个微电极敏感元2经由引出的电极引线3连接到引线焊点阵列4中对应的焊点，电极引线3表面设有绝缘层，微电极敏感元2和引线焊点阵列4暴露在外界，表面不设绝缘层。

所述柔性基底1和绝缘层5，其材料均为聚氯代对二甲苯(Parylene-C)。

所述微电极阵列，其材料为金(Au)，微电极阵列作为与神经组织直接接触时的电极刺激位点，具有16～64个微电极敏感元2；

所述微电极敏感元2，其为任意形状，如圆形、矩形、菱形等，其表面积为100μm²～4000μm²，高度为5μm～50μm。

所述电极引线3，其材料为金(Au)，其排布方式根据微电极敏感元2构成的阵列的尺寸和形状确定，其作用是引出从微电极敏感元2构成的阵列获得的电信号；

所述电极引线3，其线宽为30μm～80μm，长度为0.5cm～4.0cm。

所述引线焊点阵列4，其中的焊点的材料为金(Au)，作为电极引线3的焊点，实现微电极阵列、电极引线3与外部器件之间的电连接；

所述引线焊点阵列4，其中的焊点可为任意形状，表面积为0.09mm²～1.0mm²。

所述微电极阵列，其所占微电极芯片的区域面积为2mm²～6mm²。

所述引线焊点阵列4，其所占微电极芯片的区域面积为20mm²～60mm²。

本发明中，微电极阵列、电极引线3、引线焊点阵列4夹在柔性基底1和绝缘层5中间形成“三明治”结构。在微电极敏感元2和引线焊点阵列4部位，将绝缘层5刻蚀出“窗口”，以实现电刺激功能并进行电信号的传递。每个微电极敏感单元2的结构可以相同，也可以不相同，均能独立完成电极刺激功能，同时各个单元之间相互配合，共同完成视网膜芯片功能。

如图4所示，本实施例还涉及一种柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，采用高温湿氧氧化工艺，温度控制在950℃～1150℃，利用氢氧合成水汽氧化硅片，在任意取向的单晶硅片上沉积2μm～5μm厚的SiO₂。这层SiO₂作为后面微电极芯片释放过程的牺牲层，如图4(a)所示，为沉积SiO₂牺牲层。为了提高微电极芯片制作工艺的操作性，并与硅工艺相兼容，加工中的支撑材料选用单晶硅片。利用氢氟酸溶液腐蚀SiO₂牺牲层来完成柔性微电极芯片从硅基底上的释放。

步骤二，采用化学气相沉积聚合工艺来制备Parylene膜，厚度为5μm～20μm，作为微电极的基底材料，如图4(b)所示，为沉积底层Parylene。制备过程主要分三步：首先是聚对二甲苯二聚体原料在蒸发腔内升温至175℃升华；第二步是升华后的二聚体气体进入裂解腔，在680℃左右的温度下，二聚体的分子键被打断，产生活性的Parylene单体；最后Parylene单体被送到室温的真空沉积室里，在基材表面聚合沉积。Parylene能在真空室中的各种形状基材上完全敷形沉积聚合一层厚度均匀的透明绝缘涂层，本发明中选用在气体和水汽阻隔性能等方面较好的Parylene-C作为基质材料，其兼具高延展性和高断裂韧性，适于制作微电极芯片。沉积前，先用去离子水反复清洗单晶硅片，再用甩干机进行甩干，然后在70℃左右下烘干后再沉积Parylene，沉积完成后，其厚度可通过表面轮廓仪进行测量。

步骤三，沉积Parylene之后，选用正性AZ4620光刻胶，曝光显影后得到厚度为5μm～10μm厚的光刻胶图案。然后采用射频磁控溅射工艺，首先在光刻胶上沉积一层厚度为

的Cr，用以提高与基底的结合力，再在其上沉积

的Au。沉积完成后，采用MEMS中常用的Lift-off工艺得到图形化的Au/Cr金属层。具体过程为：将片子在丙酮溶液中浸泡1小时左右后，用超声波清洗15分钟。正性光刻胶溶于丙酮，沉积在其上方的金属层被剥离，没有光刻胶保护的区域Au/Cr金属层保留下来，构成微电极敏感元、电极引线以及引线焊点，如图4(c)所示，为蒸发Au/Cr并图形化；

步骤四，在Cr/Au金属层上，采用与第二步相同的化学气相沉积聚合工艺沉积顶层Parylene，厚度为2μm～8μm。这层Parylene用来封装电极和引线；以厚光刻胶或金属Al作为掩模层，在氧等离子体气氛中，采用反应离子刻蚀(RIE)工艺，将微电极敏感元和引线焊点上方的Parylene刻蚀掉，从而暴露出导电窗口。工作参数为：射频功率为30瓦，工作压力为30毫托，流量为40毫升/分钟，如图4(d)所示，为沉积顶层Parylene并刻蚀出微电极敏感元。

步骤五，在微电极敏感元上电镀Au至其高度到达与第二层Parylene相同位置，如图4(e)所示。以第二步中形成的Au/Cr金属层作为种子层，通过电镀工艺，将微电极敏感元和引线焊点抬高至与顶层Parylene成同一水平面，以利于下一步工艺的实现。

步骤六，通过甩胶、光刻、显影，在微电极敏感元上方形成厚为10μm～80μm的圆柱形厚光刻胶凸点微结构，如图4(f)所示。在微机械制造技术中，紫外厚胶光刻技术得到了广泛的应用。厚胶可直接作为MEMS器件的结构。紫外厚胶光刻中采用的光刻胶主要有正性AZ系列光刻胶和负性SU-8系列光刻胶等。本发明中采用能够进行回流处理的AZ4620光刻胶。由于AZ系列光刻胶粘度较低，在胶膜制备过程中采用多次匀胶的方法。

步骤七，通过光刻胶回流工艺(180℃～200℃，20min～30min)，获得圆滑的厚光刻胶凸点微结构，如图4(g)所示。光刻胶工艺在MEMS中具有十分重要的地位，通常利用其光敏特性进行图形转移，以形成各种微结构的掩模或牺牲层等。同时，光刻胶在一定温度下是一种软体材料，具有很好的回流效果。利用光刻胶在固化(回流)过程中有限的溶剂气体和光刻胶的相互作用，使光刻胶表面的局部尖锐图形平坦化，获得圆滑的厚光刻胶凸点微结构，并消除轻微缺陷。如果将回流特性与其他用途相结合，可以更好地发挥光刻胶在MEMS和微电子领域的作用。

步骤八，光刻胶回流工艺完成后，再次通过甩胶、光刻、显影形成厚胶图案，暴露出微电极敏感元区域，然后采用射频磁控溅射工艺依次沉积的Cr膜和

的Au膜。接着，在丙酮中超声浸洗，形成图形化的Au/Cr金属薄层，得到凸点微电极，如图4(h)所示；

步骤九，在1％～2％的氢氟酸溶液中浸泡2min～3min，刻蚀掉SiO₂牺牲层，将微电极从硅基片上释放出来，如图4(i)所示，完成整个柔性微电极芯片制作过程。

本实施例采用传统的平面加工工艺，同时借助剥离工艺、电镀和光刻胶回流工艺，制备柔性视网膜凸点微电极芯片。这种微电极芯片能有效降低刺激脉冲电流，减少对神经及其周围组织引起的热损伤，提高电刺激和神经信号记录的效果，并且能够减少微电极植入时对生物组织造成的插入损伤。

Claims (10)

1、一种柔性视网膜凸点微电极芯片，包括：柔性基底、微电极阵列、电极引线、引线焊点阵列和绝缘层，其特征在于，微电极阵列、电极引线均设置在柔性基底上，微电极阵列由若干微电极敏感元按矩阵形式排列而成，每个微电极敏感元经由引出的电极引线连接到引线焊点阵列中对应的焊点，电极引线表面设有绝缘层，微电极敏感元和引线焊点暴露在外界，其中，柔性基底和绝缘层的材料均为聚氯代对二甲苯。

2、根据权利要求1所述的柔性视网膜凸点微电极芯片，其特征是，所述微电极阵列，其所占微电极芯片的区域面积为2mm²～6mm²，微电极阵列具有16～64个微电极敏感元，微电极敏感元的材料为金，微电极敏感元的表面积为100μm²～4000μm²，高度为5μm～50μm。

3、根据权利要求1所述的柔性视网膜凸点微电极芯片，其特征是，所述电极引线，其材料为金，电极引线的线宽为30μm～80μm，长度为0.5cm～4.0cm。

4、根据权利要求1所述的柔性视网膜凸点微电极芯片，其特征是，所述引线焊点阵列，其所占微电极芯片的区域面积为20mm²～60mm²，引线焊点阵列中的焊点的材料为金，引线焊点阵列的焊点的表面积为0.09mm²～1.0mm²。

5、一种柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一，采用高温湿氧氧化工艺，利用氢氧合成水汽氧化硅片，在任意取向的单晶硅片上沉积2μm～5μm厚的SiO₂，这层SiO₂作为后面微电极芯片释放过程的牺牲层；

步骤二，在SiO₂上，采用化学气相沉积聚合工艺来制备第一层Parylene，作为微电极的柔性基底；

步骤三，在Parylene上旋涂正性光刻胶，曝光显影后得到光刻胶图案，采用射频磁控溅射工艺，在光刻胶图案上方依次沉积100

～300

的Cr膜和2000

r～8000

r的Au膜，然后将片子在丙酮中超声浸洗，去除光刻胶后得到图形化的Cr/Au金属层，分别作为微电极敏感元、电极引线和引线焊点；

步骤四，在Cr/Au金属层上，采用化学气相沉积聚合工艺来制备第二层Parylene，这层Parylene用来封装电极引线，在氧等离子体气氛中，以厚光刻胶作为掩模层，采用反应离子刻蚀工艺，将微电极敏感元和引线焊点上方的Parylene刻蚀掉；

步骤五，以光刻胶为掩模，在微电极敏感元上电镀Au至其高度到达与第二层Parylene相同位置；

步骤六，旋涂正性光刻胶、曝光显影后，在微电极敏感元上方形成厚为10μm～80μm的圆柱形厚光刻胶凸点微结构；

步骤七，将光刻胶进行后烘固化，借助固化时有限的溶剂气体和光刻胶的相互作用，使光刻胶表面的局部尖锐图形平坦化，获得圆滑的厚光刻胶凸点微结构，并消除轻微缺陷；

步骤八，再次旋涂厚光刻胶并曝光显影，然后采用射频磁控溅射法依次沉积100

～300

的Cr膜和1000

～3000

的Au膜；然后将片子在丙酮中超声浸洗，形成图形化的Au/Cr金属薄层，得到凸点微电极；

步骤九，在氢氟酸溶液中浸泡，将SiO₂牺牲层腐蚀掉，从硅基片上将微电极释放出来。

6、根据权利要求5所述的柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，其特征是，所述高温湿氧氧化工艺，其温度控制在950℃～1150℃。

7、根据权利要求5所述的柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，其特征是，所述第一层Parylene和第二层Parylene，其厚度取值范围分别为5μm～20μm和2μm～10μm。

8、根据权利要求5所述的柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，其特征是，步骤四中，所述反应离子刻蚀工艺，其工作参数为：射频功率为30瓦，工作压力为30毫托，流量为40毫升/分钟。

9、根据权利要求5所述的柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，其特征是，步骤七中，所述后烘固化温度设置在180℃～200℃，持续时间为20min～30min。

10、根据权利要求5所述的柔性视网膜凸点微电极芯片的制作方法，其特征是，步骤九中，所述在氢氟酸溶液中浸泡，其氢氟酸溶液的质量分数为1％～2％，浸泡的时间为2min～3min。

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