CN102289148A - 植入式微针尖电极及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植入式微针尖电极及其制作方法，涉及微电子机械系统和植入式微电极技术领域，所述方法包括以下步骤：A：在镀有铝膜(1)的硅片(2)上制作聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的金属电极层，包括：刺激点(3)、互连线(4)和引线接点(5)；B：通过光刻、电镀制作金属镍或镍合金机械支撑层，包括金属镍或镍合金微针尖(6)和引线接点底座支撑体(7)；C：湿法腐蚀铝膜牺牲层，正面键合干膜(8)，背面氧等离子体刻蚀，直至暴露出刺激点和引线接点；D：湿法腐蚀所述干膜，并用去离子水清洗，得到微针尖电极。本发明具有机械性能高、生物兼容性好、植入方便、对组织损伤轻微、尺寸精确可控、灵敏度高、可靠性高的特点。

Description

植入式微针尖电极及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统和植入式微电极技术领域，尤其涉及一种植入式微针尖电极及其制作方法。

背景技术

植入式微针尖电极是一种用于电刺激神经和记录神经电信号的神经接口，相比于平面型微电极优势在于，刺激点可以深入组织内部，与神经细胞形成良好接触，提高电刺激的效率或采集信号的信噪比。

植入式微针尖电极需要较强韧性和硬度，在不损坏组织结构的同时易于扎入组织，并耐受组织内电化学反应腐蚀，更重要的是，需要较好的生物兼容性，才能长期稳定刺激神经和记录神经电信号。

现有微针尖电极加工技术中，除了传统微丝电极外，犹他针尖电极和密西根针尖电极是最为常用的微针尖电极，采用成熟的硅基集成电路加工技术和微电子机械系统加工技术，可精确控制刺激点的尺寸和空间分布，并能于CMOS信号处理电路整合。由于加工工艺不同，犹他针尖电极是纵向的针尖，密西根针尖电极是横向的针尖，有着以下几个缺点：1、均采用脆性和生物不兼容的硅材料作为机械支撑，微电极自身容易损坏并会进一步对组织造成损伤，不适于生物体内长期植入；2、针尖尺寸受到工艺限制，犹他针尖最长只能做到1.5mm，密西根针尖厚度不超过15μm；3、犹他针尖每个针尖上只有一个刺激点，只能进行体内同一深度的神经电刺激或记录。

目前，利用生物兼容性良好的Parylene(聚对二甲苯)，结合MEMS(微电子机械系统)加工技术制作微针尖电极逐渐受到重视。美国加州理工学院戴聿昌研究小组在本领域有一些值得借鉴的成果，在文件“Novel Monolithic Silicon Probes with Flexible Parylene Cables forNeural Prostheses”IEEE-EMBS MMB，Okinawa，Japan，May 9-12，2006.中，制作出首例以Parylene作为绝缘材料的硅针尖电极，其类似与密西根针尖电极，每根针尖上具有若干个刺激点，并整合了柔性Parylene引线，易于外部电路连接及三维针尖阵列的组装。不过，该微针尖电极的针尖结构还是采用的易脆和生物不兼容的硅材料，并应用高成本的DRIE(深反应离子刻蚀)制作硅针尖，大幅度提高了工艺成本。

北京大学微电子所李志宏等人公开的发明专利(中国专利公开号CN101398614，发明名称“一种基于Parylene的三维针尖电极阵列的制作方法”)中，提出了利用硅三维针尖阵列制备出基于Parylene柔性衬底的三维针尖电极阵列，该电极阵列是一种类似于三明治结构的Parylene-金属层-Parylene三层结构，具有较好的生物兼容性，可降低芯片的功耗和面积，增强电刺激效果，可用于针对人工视网膜修复的视网膜下植入手术。但却存在以下不足：(1)微电极针尖是通过硅三维针尖阵列为模型转印而成，类似于犹他针尖，其针尖长度受到硅片厚度限制；(2)微针尖电极的针尖是中空的，无任何机械支撑导致硬度不够，不利于扎入组织，很难应用于其他神经电刺激或记录的研究领域。

综上所述，现有的微针尖电极存在机械性能低、生物兼容性差、对组织损伤较大、尺寸不易控制、工艺成本高、灵敏度低、可靠性低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种植入式微针尖电极及其制作方法，其具有机械性能高、生物兼容性好、对组织损伤轻微、尺寸精确可控、灵敏度高、可靠性高的特点。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种植入式微针尖电极的制作方法，包括以下步骤：

A：在镀有铝膜的硅片上通过聚对二甲苯生长、光刻、溅射、湿法腐蚀和氧等离子体刻蚀制作聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的金属电极层，包括：刺激点、互连线和引线接点；

B：通过光刻、电镀制作金属镍或镍合金机械支撑层，包括金属镍或镍合金微针尖和引线接点底座支撑体；

C：湿法腐蚀铝膜牺牲层，正面键合干膜，背面氧等离子体刻蚀，直至暴露出刺激点和引线接点；

D：湿法腐蚀所述干膜，并用去离子水清洗，得到微针尖电极。

优选地，所述步骤A进一步包括：

A1：利用硅片并蒸发铝膜制作铝膜牺牲层；

A2：在所述铝膜牺牲层上淀积聚对二甲苯作为隔离绝缘层，并对所述隔离绝缘层进行图形化，确定刺激点和引线接点的位置和大小，确定刺激点阵列区域、连接引线和引线接点区域的轮廓；

A3：制作微针尖电极的刺激点、互连线和引线接点，并在其上淀积聚对二甲苯隔离绝缘层，形成聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的电极层。

优选地，所述步骤A2，还包括：采用正性光刻胶或钛膜作为刻蚀所述隔离绝缘层的掩膜，通过两次光刻和氧等离子体刻蚀，实现所述隔离绝缘层的图形化。

优选地，所述步骤A3中，制作微针尖电极的刺激点、互连线和引线接点，包括：溅射金属合金层并进行光刻，湿法腐蚀出刺激点、互连线和引线接点图形，或者先进行光刻，而后溅射金属合金层，采用剥离工艺制作金属电极图形。

优选地，所述步骤B中，所述电镀包括：通过溅射铜种子层、旋涂厚胶并光刻形成电镀掩膜，来电镀镍或镍合金。

优选地，所述步骤B还包括：淀积聚对二甲苯隔离绝缘层。

一种利用前述方法制作的植入式微针尖电极，包括：刺激点阵列区域、连接引线和引线接点区域；其中，所述刺激点阵列区域通过所述连接引线连接所述引线接点区域；

所述刺激点阵列区域包括：多个金属镍或镍合金微针尖、金属合金互连线和聚对二甲苯隔离绝缘层；

所述金属镍或镍合金微针尖上分布预定的若干凸起刺激点；

所述连接引线为聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构；

所述引线接点区域包括包含引线接点和引线接点底座支撑体。

优选地，所述金属镍或镍合金微针尖长为2.5mm，宽为160μm，厚为30～50μm，相邻金属镍或镍合金微针尖的间距为160μm。

优选地，所述金属合金互连线宽为40μm，相邻互连线的间距为60μm，所述刺激点大小为20μm×20μm，相邻刺激点的间距为100μm，所述连接引线长为10mm，宽为1mm，厚为12μm。

优选地，所述引线接点底座支撑体采用金属镍或镍合金材料，大小为整个引线接点区域大小，厚度为30～50μm。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供的植入式微针尖电极制作方法及植入式微针尖电极有以下优点：

(1)采用电镀技术制作出高硬度高韧性的金属镍或镍合金针尖代替脆性的硅材料针尖，厚度可控、工艺成本更低，同时植入安全方便，减轻了对组织的损伤，更适合长期植入。

(2)充分利用MEMS加工工艺，微针尖和刺激点的形状、尺寸和位置可精确控制，制作出的微针尖电极可用于不同的神经研究领域，比如，大尺寸微针尖电极可以用于深部脑电刺激，进行帕金森综合症手术治疗；而小尺寸微针尖电极可进行昆虫神经生物研究，为制作昆虫飞行器奠定基础。

(3)由于刺激点是凸起的结构，能更紧密地与神经细胞接触，进一步降低电刺激的工作电流，提高采集信号的信噪比。

(4)Parylene具有透明光滑、化学稳定性、生物兼容性和较强机械性能，是制作生物微电极最理想的绝缘材料。此外，一体化制造出基于Parylene的柔性连接引线，不仅有利于微针尖电极与外部电路的电学连接，而且可以实现将若干个微针尖电极组装成三维微针尖电极阵列。

附图说明

图1为本发明所述植入式微针尖电极的制作方法的流程图；

图2为本发明所述植入式微针尖电极的制作方法的工艺流程图；

图3为本发明所述植入式微针尖电极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的植入式微针尖电极的制作方法，包括以下步骤：

A：在镀有铝膜的硅片上通过聚对二甲苯生长、光刻、溅射、湿法腐蚀和氧等离子体刻蚀制作聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的金属电极层，包括：刺激点、互连线和引线接点；

本步骤可采用下述方法实现。

A1：利用硅片2并蒸发铝膜1制作铝膜牺牲层，其中，铝膜1厚度可以为约1μm，如图2(a)；

A2：在所述铝膜牺牲层上淀积聚对二甲苯作为隔离绝缘层，并对所述隔离绝缘层进行图形化，确定刺激点和引线接点的位置和大小，确定刺激点阵列区域、连接引线和引线接点区域的轮廓，其中，刺激点和引线接点图形深度可以为约6μm，轮廓图形深度可以为约12μm，聚对二甲苯隔离绝缘层9的厚度约为20μm，如图2(b)；

本步骤中，采用正性光刻胶或钛膜作为刻蚀所述隔离绝缘层的掩膜，通过两次光刻和氧等离子体刻蚀，实现所述隔离绝缘层的图形化。

A3：制作微针尖电极的刺激点3、互连线4和引线接点5，并在其上第二次淀积聚对二甲苯隔离绝缘层，形成聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的电极层，其中，聚对二甲苯隔离绝缘层的淀积厚度可以为约2μm，如图2(c)。

本步骤中，制作微针尖电极的刺激点、互连线和引线接点，可以通过溅射金属合金层并进行光刻，湿法腐蚀出刺激点、互连线和引线接点图形，或者先进行光刻，而后溅射金属合金层，采用剥离工艺制作金属电极图形。

B：通过光刻、电镀制作金属镍或镍合金机械支撑层，包括金属镍或镍合金微针尖6和引线接点底座支撑体7；

本步骤中，所述电镀可以通过溅射铜种子层、旋涂厚胶并光刻形成电镀掩膜，来电镀镍或镍合金。制作金属镍或镍合金微针尖和引线接点底座支撑体之后，第三次淀积聚对二甲苯隔离绝缘层，其中，所述厚胶的厚度可以为约30μm，所述聚对二甲苯隔离绝缘层的淀积厚度可以为约4μm，如图2(d)。

C：湿法腐蚀铝膜牺牲层，正面键合干膜8，背面氧等离子体刻蚀，直至暴露出刺激点和引线接点，如图2(e)。

本步骤中，所述湿法腐蚀铝膜牺牲层可以通过150～200℃热板加热数十分钟后用磷酸、冰醋酸和硝酸混合溶液腐蚀铝膜。

D：湿法腐蚀所述干膜，并用去离子水清洗，得到微针尖电极，如图2(f)。

如图3所示，本发明所述的利用前述方法制作的植入式微针尖电极，包括：刺激点阵列区域10、连接引线11和引线接点区域12；其中，所述刺激点阵列区域10通过所述连接引线11连接所述引线接点区域12；

所述刺激点阵列区域10包括：多个金属镍或镍合金微针尖6、金属合金互连线4和聚对二甲苯隔离绝缘层9；

所述金属镍或镍合金微针尖6上分布预定的若干凸起刺激点3；

所述连接引线11为聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构；

所述引线接点区域12包括包含引线接点5和引线接点底座支撑体7。

其中，所述金属镍或镍合金微针尖6长可以为2.5mm，同时宽可以为160μm，厚可以为30～50μm，例如：30μm、38μm或42μm，相邻金属镍或镍合金微针尖6的间距可以为160μm。

其中，所述连接引线11长可以为10mm，同时宽可以为1mm，厚为10～15μm，例如：12μm或14μm。

其中，所述金属合金互连线4宽可以为40μm，同时相邻互连线4的间距可以为60μm，所述刺激点3大小可以为20μm×20μm，同时相邻刺激点3的间距可以为100μm。

所述引线接点底座支撑体7可以采用金属镍或镍合金材料，大小可以为整个引线接点区域大小，厚度可为30～50μm。例如：厚度为32μm、40μm或者46μm。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：在镀有铝膜(1)的硅片(2)上通过聚对二甲苯生长、光刻、氧等离子体刻蚀、溅射和湿法腐蚀制作聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的金属电极层，包括：刺激点(3)、互连线(4)和引线接点(5)；

B：通过光刻、电镀制作金属镍或镍合金机械支撑层，包括金属镍或镍合金微针尖(6)和引线接点底座支撑体(7)；

C：湿法腐蚀铝膜牺牲层，正面键合干膜(8)，背面氧等离子体刻蚀，直至暴露出刺激点和引线接点；

D：湿法腐蚀所述干膜，并用去离子水清洗，得到微针尖电极。

2.如权利要求1所述的植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，所述步骤A进一步包括：

A1：利用硅片(2)并蒸发铝膜(1)制作铝膜牺牲层；

A2：在所述铝膜牺牲层上淀积聚对二甲苯作为隔离绝缘层(9)，并对所述隔离绝缘层进行图形化，确定刺激点(3)和引线接点(5)的位置和大小，确定刺激点阵列区域(10)、连接引线(11)和引线接点区域(12)的轮廓；

A3：制作微针尖电极的刺激点(3)、互连线(4)和引线接点(5)，并在其上淀积聚对二甲苯隔离绝缘层，形成聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构的电极层。

3.如权利要求2所述的植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，所述步骤A2，还包括：采用正性光刻胶或钛膜作为刻蚀所述隔离绝缘层的掩膜，通过两次光刻和氧等离子体刻蚀，实现所述隔离绝缘层的图形化。

4.如权利要求2所述的植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，所述步骤A3中，制作微针尖电极的刺激点(3)、互连线(4)和引线接点(5)，包括：溅射金属合金层并进行光刻，湿法腐蚀出刺激点、互连线和引线接点图形，或者先进行光刻，而后溅射金属合金层，采用剥离工艺制作金属电极图形。

5.如权利要求1所述的植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，所述电镀包括：通过溅射铜种子层、旋涂厚胶并光刻形成电镀掩膜，来电镀镍或镍合金。

6.如权利要求1所述的植入式微针尖电极的制作方法，其特征在于，所述步骤B还包括：淀积聚对二甲苯隔离绝缘层。

7.一种植入式微针尖电极，其特征在于，包括：刺激点阵列区域(10)、连接引线(11)和引线接点区域(12)；其中，所述刺激点阵列区域(10)通过所述连接引线(11)连接所述引线接点区域(12)；

所述刺激点阵列区域包括：多个金属镍或镍合金微针尖(6)、金属合金互连线(4)和聚对二甲苯隔离绝缘层(9)；

所述金属镍或镍合金微针尖(6)上分布预定的若干凸起刺激点(3)；

所述连接引线(11)为聚对二甲苯-金属合金-聚对二甲苯结构；

所述引线接点区域(12)包括包含引线接点(5)和引线接点底座支撑体(7)。

8.如权利要求7所述的植入式微针尖电极，其特征在于，所述金属镍或镍合金微针尖(6)长为2.5mm，宽为160μm，厚为30～50μm，相邻金属镍或镍合金微针尖(6)的间距为160μm。

9.如权利要求7所述的植入式微针尖电极，其特征在于，所述金属合金互连线(4)宽为40μm，相邻互连线的间距为60μm，所述刺激点(3)大小为20μm×20μm，相邻刺激点(3)的间距为100μm，所述连接引线(11)长为10mm，宽为1mm，厚为12μm。

10.如权利要求7所述的植入式微针尖电极，其特征在于，所述引线接点底座支撑体(7)采用金属镍或镍合金材料，大小为整个引线接点区域大小，厚度为30～50μm。

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