CN102783942B

CN102783942B - 植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片及制备方法

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Publication number: CN102783942B
Application number: CN201110132546.9A
Authority: CN
Inventors: 宋轶琳; 蔡新霞; 林楠森; 刘春秀; 王利
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102783942A

Abstract

本发明公开了一种植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片及制备方法，涉及传感器技术。该芯片包括硅针基底、呈阵列排布的多个微电极、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、引线、焊盘以及绝缘层。芯片采用微机电系统(MEMS)工艺加工制备。硅针前端部分可植入动物体内的神经组织，用于同时检测神经电生理信号和神经递质电化学信号，并兼有对神经组织施加电刺激的功能。本发明芯片功能集成化，适合急性或长期植入动物体内，开展神经信息的原位、同步双模检测及相关研究。

Description

植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器的微加工技术领域，是一种植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片及制备方法。

背景技术

神经细胞是组成高等动物神经系统的基本结构功能单位，数以亿计的神经细胞通过突触连接形成错综复杂的网络。神经细胞脉冲放电以及神经递质释放是神经信息传递的两种模式，二者相互依存，相互调制。因此，对群体神经细胞实施神经电生理信号和神经递质电化学信号的同步检测，籍以研究神经细胞的相互作用机制、神经信息的编码解码过程、神经精神性疾病的发病机理、以及药物反应等，具有重要的科学意义和实用价值。

长期以来，人们利用传统的膜片钳、玻璃微电极、金属丝微电极等，对在体或离体条件下的神经细胞电生理信号进行检测，通常仅能获得少量几个通道的数据，且电极定位困难、操作繁琐；近年来，随着微机电系统(MEMS)加工技术的发展，国内外出现了一些采用各种材料和工艺制备而成的微电极阵列芯片，可实现群体神经细胞电生理活动的同步检测，如德国Multichannel公司开发的MEA芯片，美国NeuroNexus公司生产的Michigan植入式微电极阵列等，但这些电极尚未集成检测神经递质的功能，无法深入研究神经电生理信号与相应神经递质浓度变化之间的内在关系；而对于神经递质电化学信号的检测，目前多采用大电极、体外微透析的方法，检测实时性差，灵敏度不高，无法实现与电生理信号的同步检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片及制备方法，以克服现有技术的不足。该芯片含有多个通道，可植入动物体内的神经组织，用于同时检测神经电生理信号和神经递质电化学信号，并兼有对神经组织施加电刺激的功能。本发明芯片功能集成化，适合急性或长期植入动物体内，开展神经信息的原位、同步双模检测及相关研究。

为实现这一目的，本发明采用了如下的技术解决方案：

一种植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，其包括硅针基底、微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、引线、焊盘及绝缘层；硅针基底是整个芯片的载体，呈薄片状，分为前端的植入部分和后端的接口部分。植入部分为单根硅针或多根硅针分支，每根硅针尖端上表面沿纵向分布有多个微电极，多个微电极构成微电极阵列；在单根硅针或多根不同硅针上表面设有对电极、电化学参比电极、或电生理参比电极；硅针基底后端的接口部分上表面分布有多个焊盘，焊盘与植入部分上表面的电极之间固设有多根引线，多个焊盘通过引线与电极一一对应连接；引线上表面覆盖有绝缘层。

所述的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，其所述微电极阵列中的多个圆形微电极，直径在10～25μm之间，不同直径的微电极具有不同功能，分别用于神经电生理信号、神经递质电化学信号的双模式检测，或施加电刺激；对电极、电化学参比电极及电生理参比电极，尺寸≤50μm，用于提供参考电位并保持电位稳定。

所述的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，其所述硅针基底的材料选用单晶硅、掺杂硅、SOI绝缘硅、或硼扩散硅其中之一；电极的材料是生物相容性好的金属或金属化合物导电薄膜，为金、铂、氮化钛或铟锡氧化物其中之一；绝缘层所使用的材料为生物相容性好的有机或无机绝缘材料，为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯其中之一。

一种所述的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片的制备方法，其包括如下步骤：

a)在表面经过绝缘处理的硅片上，采用溅射、蒸镀、刻蚀的方法，形成微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、引线及焊盘的导电薄膜层；

b)通过沉积、溅射或旋涂的方法，在制备好的导电薄膜层表面覆盖绝缘层，通过刻蚀暴露出微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极及焊盘，保留所有引线表面的绝缘层；

c)通过深刻蚀或自停止湿法腐蚀的方法，形成具有所需厚度的硅针基底接口部分以及植入部分的外形，并去掉其它多余硅层，使整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放；

d)通过电化学沉积或物理滴涂、吸附方法，根据需要在微电极阵列中设定不同功能的圆形微电极表面修饰纳米材料或敏感膜材料，使形成不同功能的圆形微电极。

本发明提供的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，将在体多通道神经电生理检测、神经电刺激、神经递质检测的功能集成一体，且芯片体积小，对组织损伤少。能够实现体内神经信息的高通量、原位、同步、双模检测，突破了以往技术只能对两种神经信息模式分开检测、实时性差的局限，为研究二者相互调制的关系提供了更加便捷有效的工具，为深入研究神经信息编码、传递的内在机制，以及一些神经精神性疾病的发病机理提供了新的视角。

附图说明

图1为本发明植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片结构示意图；

图2为微电极阵列的局部放大示意图；

图3为本发明植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片制备方法的流程框图；

图4为本发明植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片制备方法的工艺流程图；

图4a为在表面绝缘的SOI硅片表面制备电极引线及触点图案示意图；

图4b为接着溅射250nm的Pt薄膜层示意图；

图4c为采用剥离工艺去除多余的Ti/Pt薄膜层，留下所需电极、引线及触点示意图；

图4d为在制备好Pt薄膜层的基底表面，PECVD氮化硅(Si₃N₄)绝缘层，厚度800nm。通过光刻和SF₆等离子刻蚀的方法，暴露出微电极、对电极、参比电极及触点，保留所有引线表面覆盖的氮化硅绝缘层示意图；

图4e为采用深刻蚀工艺刻蚀出硅针基底外形示意图；

图4f为采用湿法腐蚀工艺去掉SOI硅片底层硅，释放硅针基底示意图；

图4g为采用电化学沉积的方法，在用于神经电生理检测的微电极表面修饰纳米铂黑(Pt Black)颗粒示意图；

图5为采用本发明植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片记录到的多通道神经电生理信号示意图；

图6为采用本发明植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片检测到的神经递质多巴胺信号示意图。

附图标号说明：

1为硅针基底，2为微电极阵列，3为对电极，4为电化学参比电极，5为电生理参比电极，6为引线，7为焊盘，8为绝缘层，9为仅用于电生理检测的微电极，10为可用于神经递质检测或施加电刺激的微电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施实例对本发明的技术方案做进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

图1所示为本发明提供的一种4硅针型植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片。整个芯片由硅针基底1、微电极阵列2、对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5、引线6、焊盘7以及绝缘层8构成；

硅针基底1为整个芯片的载体，厚度30μm。其前端呈平行排列、等长的4根针状分支。每根分支尖端呈30度角，向后逐渐增宽，最宽处100μm，分支间距200μm。

每根分支表面沿直线排列了4个圆形微电极，所有这些圆形微电极构成4×4微电极阵列2。图2为单根分支上微电极阵列2的局部放大示意图。其中微电极9的直径为10μm，仅用于检测神经电生理信号；微电极10的直径为25μm，可用于检测神经电生理及神经递质电化学信号，并可对神经组织施加电刺激。

每根分支上与微电极相距500μm处，分别有一对电极3、一电化学参比电极4、一电生理参比电极5。此三电极尺寸均为50μm。在电生理信号检测或施加电刺激的过程中，电生理参比电极5用于提供参考电位；在神经递质电化学信号的检测过程中，对电极3用于提供一个电流回路，并与电化学参比电极4一起，构成电化学检测的三电极体系。

上述所有电极均通过引线6延伸至硅针基底1的尾端，与方形焊盘7相连接。焊盘尺寸200μm，用于通过压焊的方式使电极与外部电路相连接。

微电极阵列2、对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5、引线6的材料为铂金属薄膜，为了提高信噪比，可在微电极9表面修饰纳米铂黑颗粒。为了提高检测神经递质多巴胺的选择性，可在微电极10表面修饰离子选择性Nafion膜。引线6表面覆盖有氮化硅薄膜绝缘层。

将硅针基底1前端的分支部分植入活体动物的神经组织，使微电极阵列2与神经组织紧密接触，再结合配套的检测系统，即可开展动物在体神经信息的双模检测及相关研究。

本发明的具体制备过程参考框图3及图4详述如下：

1.在表面绝缘的SOI硅片上旋涂一层正性光刻胶AZ1500，厚度1μm，光刻显影后形成掩模板上所有微电极阵列2、对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5、引线6以及焊盘7的图案(图4a)；

2.在光刻胶图案表面溅射一层厚度30nm的Ti种子层，以增加Pt导电薄膜层与硅片基底的粘附性，接着溅射250nm的Pt薄膜层(图4b)。

3.采用剥离工艺去除多余的Ti/Pt薄膜层，留下所需电极2～5、引线6及焊盘7(图4c)；

4.在制备好Pt薄膜层的基底表面，PECVD氮化硅(Si₃N₄)绝缘层，厚度800nm。通过光刻和SF₆等离子刻蚀的方法，暴露出微电极阵列9、10，对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5以及焊盘7，保留所有引线6表面覆盖的氮化硅绝缘层(图4d)；

5.旋涂一层厚光刻胶，光刻显影后形成刻蚀硅针基底所需的掩膜图形，.通过感应离子耦合深刻蚀的方法，在SOI硅片正面刻出具有所需厚度的硅针基底针状外形(图4e)；

6.通过湿法腐蚀的方法，将SOI硅片背面的硅层腐蚀掉，再通过超声震荡的方法，破除SOI硅片自带的二氧化硅薄膜，使以硅针基底为载体的整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放(图4f)。

7.采用电化学沉积的方法，在用于神经电生理检测的微电极9表面修饰纳米铂黑(Pt Black)颗粒(图4g)。

为了验证本发明具有检测神经电生理信号的功能，将本发明植入大鼠脊髓腰膨大处神经元较为集中的部位，得到了如图5所示的多通道电生理信号。

为了验证本发明具有神经递质电化学检测的功能，利用本发明对浓度在0.5μM到8.5μM范围内的多巴胺标准溶液进行了检测，如图6所示，得到的氧化电流值与多巴胺浓度呈良好的线性关系。

以上实施例只是为了起到说明的目的，并非对本发明的限制，在上述说明的基础上，可以对本发明作许多改进和改变，所作改进和改变，及选用其它功能材料等方法均应包括在本发明权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，其特征在于：包括硅针基底(1)、微电极阵列(2)、对电极(3)、电化学参比电极(4)、电生理参比电极(5)、引线(6)、焊盘(7)及绝缘层(8)；硅针基底(1)是整个芯片的载体，呈薄片状，分为前端的植入部分和后端的接口部分：植入部分为单根硅针或多根硅针分支，每根硅针尖端上表面沿纵向分布有多个微电极，多个微电极构成微电极阵列(2)；在单根硅针或多根不同硅针上表面设有对电极(3)、电化学参比电极(4)、或电生理参比电极(5)；硅针基底(1)后端的接口部分上表面分布有多个焊盘(7)，焊盘(7)与植入部分上表面的电极之间固设有多根引线(6)，多个焊盘(7)通过引线(6)与电极一一对应连接；引线(6)上表面覆盖有绝缘层(8)；

其中，所述微电极阵列(2)中的多个圆形微电极，直径在10～25μm之间，不同直径的微电极具有不同功能，分别用于神经电生理信号、神经递质电化学信号的双模式检测，或施加电刺激；对电极(3)、电化学参比电极(4)及电生理参比电极(5)，尺寸≤50μm，用于提供参考电位并保持电位稳定。

2.根据权利要求1所述的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片，其特征在于：所述硅针基底(1)的材料选用单晶硅、掺杂硅、SOI绝缘硅、或硼扩散硅其中之一；电极的材料是生物相容性好的金属或金属化合物导电薄膜，为金、铂、氮化钛或铟锡氧化物其中之一；绝缘层(8)所使用的材料为生物相容性好的有机或无机绝缘材料，为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯其中之一。

3.一种如权利要求1所述的植入式神经信息双模检测微电极阵列芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在表面经过绝缘处理的硅片上，采用先溅射再刻蚀的方法，形成微电极阵列(2)、对电极(3)、电化学参比电极(4)、电生理参比电极(5)、引线(6)及焊盘(7)的导电薄膜层；

2)通过沉积、溅射或旋涂的方法，在制备好的导电薄膜层表面覆盖绝缘层(8)，通过刻蚀暴露出微电极阵列(2)、对电极(3)、电化学参比电极(4)、电生理参比电极(5)及焊盘(7)，保留所有引线(6)表面的绝缘层；

3)通过深刻蚀或自停止湿法腐蚀的方法，形成具有所需厚度的硅针基底(1)接口部分以及植入部分的外形，并去掉其它多余硅层，使整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放；

4)通过电化学沉积或物理滴涂、吸附方法，根据需要在微电极阵列(2)中设定不同功能的圆形微电极表面修饰纳米材料或敏感膜材料，使形成不同功能的圆形微电极。