CN102179000B - 一种基于碳膜的柔性神经微电极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳膜的柔性神经微电极及其制作方法，该方法利用热解图形化光刻胶形成的碳膜作为导电层，结合聚合物包覆形成绝缘层制作柔性神经微电极。相比传统的基于贵金属(如铂、金、铱等)的柔性神经微电极，基于碳膜的柔性神经微电极具有更好的电化学稳定性和生物相容性，且易于通过光刻和微纳压印等手段制作三维高比表面积的电极位点，可大大提高电极的电荷注入能力和生物安全性，有助于实现植入式神经微电极的长期安全、有效、可靠和高分辨率的刺激效果。且该电极制作方法与基于金属的微电极制作方法相比，具有工艺简单、成本低、可重复性强，设计灵活的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于碳膜的柔性神经微电极及其制作方法，可应用于神经疾患治疗、神经生物学基础研究等领域，属于植入式微电极领域。
背景技术
几十年来，基于神经生物电现象，功能性电刺激作为一种有效的手段在神经系统活动机理研究、神经假体系统和神经疾患治疗等方面发挥了重要作用，比如刺入式微电极深脑刺激抑制帕金森病患者震颤，栅格微电极监测神经外科手术病人状况，植入式假体用于截瘫患者运动控制，人工耳蜗和视网膜刺激植入体用于患者听觉和视觉的部分康复等。作为神经组织和功能仪器之间的关键接口，神经电极的性能好坏直接决定了整个神经活动刺激系统或神经功能重建系统可达到的极限性能。一个理想的植入式神经刺激微电极需要同时满足尽量小的植入损伤、有效的刺激效果、长期工作稳定性和生物安全性等多个要求。通常评价植入式神经微电极性能的指标主要有电信号刺激的有效性、机械强度和韧性、电化学稳定性、生物安全性等。围绕改善、提高植入式微电极的上述相关性能，至今人们已开展了大量研究。其中电极材料的选择和制作工艺探索是神经微电极研究中的一个重要方向。首先，从电极制作基底材料来说，其物理、化学性质对神经微电极植入后组织的损伤程度、长期工作的可靠性和生物安全性具有重要影响。在神经微电极研究的早期，考虑到微加工工艺的成熟性，基于硅基材料的神经微电极的研究最为普遍[G.T.Kovacs，C.W.Storment，M.Halks-Miller，et al，″Silicon-substratemicroelectrode arrays for parallel recording of neural activity in peripheral andcranial nerves，″IEEE Transactions on Biomedical Engineering，vol.41，no.6，pp.567-577，1994.]。虽然硅基神经微电极显示了较好的生物相容性，而且具有与CMOS的微电子加工工艺兼容的优势。但是硅基微电极也具有明显的缺陷，即表现为机械刚性，较脆，被植入体运动时容易导致严重的组织损伤或植入失败。因此为了减小电极对生物组织的损伤，以及保证刺激电极与神经束的良好贴合，利用聚合物(如聚酰亚胺、聚对二甲苯和PDMS)作为基底材料来制作柔性植入式神经微电极已成为一个重要的发展趋势[C.Metallo，R.D.White，B.A.Trimmer，“Flexible parylene-based microelectrode arrays for highresolution EMG recordings in freely moving small animals，”J.Neuro.Methods，vol.195，no.2，pp.176-184，2011.]。其次，从电极制作导电材料来说，其性质优劣对电极工作效果影响更为明显，尤其对于植入式微电极而言，材料的稳定性是需要首先考虑的因素，因为一旦电极植入动物或患者体内，往往要保留几个月甚至几十年，因此要维持电极的正常工作，电极材料必须能够长时间抵抗动物体液环境中的各种酶、电解质等物质的攻击和长期的电化学腐蚀。同时，生物相容性也是选择植入式电极材料需要考虑的一个重要方面，必须保证电极材料工作中不会降解或释放有害物质，损害被植入动物或患者的健康。目前，神经微电极加工制作主要选用惰性贵金属，如铂、金、氧化铱、氮化钛等。虽然这些材料具有较好的生物相容性，在神经微电极方面也得到了较多应用，但是这些材料在长期植入的条件下，仍然会出现腐蚀的情况[S.F.Cogan，A.A.Guzelian，W.F.Agnew，et al.“Over-pulsing degrades activatediridium oxide films used for intracortical neural stimulation，”J Neurosci.Methods.，vol.137，no.2，pp.141-150，2004.]。因此，迫切需要发展电化学稳定性、生物相容性和工作稳定性均优异的新型神经微电极，适应植入式系统长期体内刺激的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳膜的柔性神经微电极，提高植入式神经微电极的工作稳定性、可靠性和长期安全性。
本发明提供的一种基于碳膜的柔性神经微电极，其特征在于：该电极以碳膜作为导电材料，以聚合物作为基底材料和绝缘材料。所述碳膜导电材料为图形化光刻胶经热解形成；所述聚合物基底材料和绝缘材料为光敏性聚合物前驱体经光刻固化形成，可以为聚酰亚胺、SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明的第二个目的是提供一种基于碳膜的柔性神经微电极的制作方法，该方法包括：
在洁净的硅片表面制作SiO2牺牲层；
在含有SiO2牺牲层的硅片表面旋涂光刻胶，并通过光刻图形化形成电极位点、连接线和焊接点等结构；
将图形化的光刻胶置于高温环境下进行热解，形成碳膜；
在热解后的碳膜表面旋涂光敏性聚合物，通过光刻制作上绝缘层；
腐蚀SiO2牺牲层释放结合上绝缘层的碳膜；
将释放的碳膜和上绝缘层贴附在PDMS(聚二甲基硅氧烷)片上，然后转移到旋涂有光敏性聚合物的氧化硅片上，通过对平整的PDMS施加压力并加热，完成键合；
将键合后的下层光敏性聚合物进行对准光刻，完成电极下绝缘层的图形化；
腐蚀SiO2牺牲层释放微电极整体结构。
在上述制作方法中，所述SiO2牺牲层是通过热氧化生成或通过气相沉积生成；所述光刻胶是正性光刻胶或负性光刻胶；所述热解过程须满足缓慢升温和降温，升温速率小于10℃/min，降温速率小于5℃/min；所述热解过程的升温和降温阶段须充入惰性气体，高温平台阶段须充入惰性气体和氢气的混合气体，其中惰性气体为氮气或氩气；所述上绝缘层和下绝缘层为同类聚合物，其中上绝缘层从上表面绝缘覆盖碳膜导电层结构，仅暴露碳膜电极位点和焊接点部位，而下绝缘层则下表面绝缘覆盖碳膜导电层全部结构。
本发明提供的基于碳膜的柔性神经微电极与目前常规的基于金属作为导电材料的神经微电极相比，具有更好的电化学稳定性和生物相容性，适于植入式系统的长期安全、稳定工作。且该电极整个制作工艺简单、成本低、设计灵活性强，易于神经微电极的批量生产和优化设计。
附图说明
图1为本发明实施例1热氧化硅片制作释放牺牲层示意图
图2为本发明实施例1利用光刻制作电极形状示意图
图3为本发明实施例1热解图形化光刻胶形成碳膜导电层示意图
图4为本发明实施例1利用光敏性聚酰亚胺光刻制作上绝缘层示意图
图5为本发明实施例1利用牺牲层腐蚀法释放碳膜及上绝缘层的示意图
图6为本发明实施例1利用PDMS转膜键合的示意图
图7为本发明实施例1利用光敏性聚酰亚胺光刻制作下绝缘层示意图
图8为本发明实施例1利用湿法腐蚀释放电极后的结构示意图
图中：1.硅片；2.SiO2；3.聚酰亚胺；4.碳膜；5.PDMS；6.玻璃
具体实施方式
实施例1
下面结合附图采用聚酰亚胺作为电极基底材料进一步说明本发明提供的基于碳膜的柔性神经微电极制作方法的具体特点：
清洗：浸泡硅片于硫酸和双氧水混合液中(5∶1，体积比)煮沸，去离子水冲洗干净，氮气吹干，200℃烘箱内热烘，去除硅片表面水分。
牺牲层制作：通过干氧热氧化的方法在硅基表面形成20～50nm厚的SiO2层，该SiO2层将作为牺牲层，用于从硅片上释放微电极(见图1)。
电极图形制作：旋涂光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)，并光刻图形化，使其形成电极位点、连接线和焊接点的结构。(见图2)。
热解碳化：在快速热处理设备中对图形化的聚酰亚胺进行高温热解处理，使其碳化。热解过程中，首先通氮气除去热处理设备中的氧气，升温和降温过程由氮气保护，在900℃高温热解时，通氮氢混合气(氢气体积百分含量5％)使聚合物还原碳化形成碳膜(见图3)。
上绝缘层制作：碳膜表面旋涂光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)，并光刻图形化形成微电极的上绝缘层(见图4)。
释放：使用BOE(HF∶NH4F∶H2O＝3∶6∶9，体积比)对SiO2牺牲层进行腐蚀，将嵌合了碳膜的上绝缘层从硅基片上释放下来(见图5)。
转膜键合：由于释放后的碳膜和上绝缘层容易卷曲，这里可以先将其贴附在PDMS片上，然后转移到旋涂了光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)的玻璃基片上，通过对平整的PDMS施加压力并加热，完成键合。(见图6)。
下绝缘层图形化：经过前烘之后，剥离PDMS，并将玻璃基片翻转，从玻璃背面对键合的电极进行对准光刻图形化，并固化聚酰亚胺形成下绝缘层(见图7)。
释放电极：使用BOE腐蚀玻璃基片表面层，释放电极，完成电极制作(见图8)。
实施例2
本实施例除了聚合物基底材料采用SU-8外，其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例除了聚合物基底材料采用聚甲基丙烯酸甲酯外，其余均与实施例1相同。
Claims (8)
1.一种基于碳膜的柔性神经微电极的制作方法，其特征在于所述的制作方法包括以下各步：
1)清洗：浸泡硅片于体积比为5∶1的硫酸和双氧水混合液中煮沸，去离子水冲洗干净，氮气吹干，200℃烘箱内热烘，去除硅片表面水分；
2)牺牲层制作：通过干氧热氧化的方法在硅片表面形成20～50nm厚的SiO2层，该SiO2层将作为牺牲层，用于从硅片上释放微电极；
3)电极图形制作：旋涂光敏性聚酰亚胺，并光刻图形化，使其形成电极位点、连接线和焊接点的结构；
4)热解碳化：在快速热处理设备中对图形化的聚酰亚胺进行高温热解处理，在高温热解过程中，首先通过氮气去除处理设备中的氮气，升温和降温过程由氮气保护，在900℃高温热解时，通过氮氢混合器使聚合物还原碳化形成碳膜；
5)上绝缘层制作：碳膜表面旋涂光敏性聚酰亚胺，并光刻图形化形成微电极的上绝缘层；
6)释放：使用BOE对SiO2牺牲层进行腐蚀，将嵌合了碳膜的上绝缘层从硅基片上释放下来；
7)转膜键合：释放后的碳膜和上层绝缘，其贴附在PDMS片上，然后转移到旋涂了光敏性聚酰亚胺的玻璃基片上，通过对平整的PDMS施加压力并加热，完成键合；
8)下绝缘层图形化：经过前烘之后，剥离PDMS，并将玻璃基片翻转，从玻璃背面对键合的电极进行对准光刻图形化，并固化聚酰亚胺形成下绝缘层；
9)释放电极：使用BOE液腐蚀玻璃基片表面层，释放电极，完成电极制作；
所述的BOE液的体积比组成为HF∶NH4F∶H2O＝3∶6∶9。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4)热解过程的升温速率小于10℃/min，降温速率小于5℃/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上绝缘层从上表面及绝缘覆盖碳膜导电层结构，仅暴露碳膜电极位点和焊接点部位，而下绝缘层则下表面绝缘覆盖碳膜导电层全部结构。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述上绝缘层和下绝缘层为同类聚合物，型号为Durimide7510。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述900℃热解过程通入氮氢混合气体中氢气的体积的含量为5％。
6.根据权利要求1所述的方法制作的电极，其特征在于：所述的柔性神经微电极以碳膜作为导电材料，以聚合物作为基底材料和绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的电极，其特征在于：所述碳膜导电材料为图形化光刻胶经热解形成。
8.根据权利要求6所述的电极，其特征在于：所述聚合物基底材料和绝缘材料为聚酰亚胺、SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
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|---|---|---|---|---|
| CN102824689B (zh) * | 2012-09-07 | 2014-12-24 | 清华大学 | 植入式电极及其制备方法以及包括所述电极的医疗组件 |
| CN103072938B (zh) * | 2012-12-18 | 2015-07-08 | 厦门大学 | 一种平面碳膜电极的制备方法 |
| CN104591074B (zh) * | 2015-01-22 | 2017-01-04 | 华东师范大学 | 一种基于三明治结构的柔性硅薄膜及其制备方法 |
| CN105147280A (zh) * | 2015-06-13 | 2015-12-16 | 深圳市前海安测信息技术有限公司 | 具有空心凸起结构的柔性神经微电极阵列及其制备方法 |
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| CN107993972A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-05-04 | 苏州科技大学 | 一种柔性电子功能材料及其制备方法 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN101306794A (zh) * | 2008-01-30 | 2008-11-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 纳米微电极及制作方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN101172185A (zh) * | 2007-09-21 | 2008-05-07 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种植入式双面柔性微阵列电极的制备方法 |
| CN101306794A (zh) * | 2008-01-30 | 2008-11-19 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 纳米微电极及制作方法 |
| CN101398614A (zh) * | 2008-09-12 | 2009-04-01 | 北京大学 | 一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法 |
| CN101380257A (zh) * | 2008-10-09 | 2009-03-11 | 上海交通大学 | 柔性视网膜凸点微电极芯片及其制作方法 |
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