CN103750833A - 一种硅神经电极混合集成器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅神经电极混合集成器件的制造方法，包括：制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极；在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层；在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层；对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光；采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容。本发明有效隔离了电极记录点与神经细胞接触时形成的电极-电解液极化电位与细胞组织的共模扰动，消除了对前置放大器直流工作点的影响，简化了前置放大器的设计与神经信号记录系统。

Description

一种硅神经电极混合集成器件的制造方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及用于神经信号记录的硅神经电极混合集成器件制造，特别是一种硅神经电极混合集成器件的制造方法。
背景技术
神经电极是神经科学研究、临床诊断和神经义肢及功能恢复的必要工具和手段，神经生理学的不断发展对神经电极阵列和神经信号采集系统提出了大量需求。由于电极-电解液界面极化效应，使用传统神经电极记录到的神经信号中含有界面电势，这个电势会造成前置放大器输入端的直流工作点偏移。同时神经信号记录系统的测量对象中有较大的共模干扰，这个干扰也会对前置放大器直流工作点造成直接的影响，因此神经信号记录系统需要特别的措施稳定前置放大器的直流工作点。
另一方面，为全面监测神经系统发放的信号，深入研究动物大脑等神经中枢系统的活动规律，神经电极阵列的空间分辨率越来越高，记录通道数越来越多。这一发展趋势促使人们采用的新的硅神经电极制作方法和更紧凑封装方式以提高神经电极的分辨率，减小器件体积，方便神经信号采集。同时，采用紧凑的封装形式有助于减少环境电磁干扰，提高采集神经信号的信噪比。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅神经电极混合集成器件的制造方法，以隔离电极-电解液界面极化效应与测量对象的共模干扰，同时提高硅神经电极的空间分辨率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种硅神经电极混合集成器件的制造方法，包括：
制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极；
在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层；
在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层；
对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光；以及
采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容。
上述方案中，所述制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极的步骤中，硅神经电极以绝缘层上硅材料为基片，在基片上从下至上依次由下绝缘层、金属层和上金属层三层构成。
上述方案中，所述制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极的步骤中，前置放大器芯片采用标准的CMOS工艺制作实现，前置放大器指标满足神经信号采集要求，前置放大器的低通截止点小于10kHz，带内积分噪声小于5μV，增益为5～1000倍。
上述方案中，所述在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层的步骤中，是先在前置放大器芯片表面制作掩膜，只留出芯片的输入压焊盘，将制作好的前置放大器芯片至于真空镀膜机中，在芯片的输入压焊盘中蒸镀金属层，以减小压焊盘与芯片表面的深度，为在压焊盘中制作绝缘层做准备。所述蒸镀的金属层采用的金属材料为铝、铟、金或银。
上述方案中，所述在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层的步骤中，绝缘层材料选择二氧化硅或氮化硅，制作的方法采用等离子体增强化学气相沉积法。
上述方案中，所述对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光的步骤中，是采用化学机械抛光技术对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光，抛光处理后前置放大器芯片输入压焊盘中的绝缘层与芯片表面处于同一平面。
上述方案中，所述采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容的步骤中，首先对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，然后采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。
上述方案中，所述对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，清洗过程依次为：去离子水超声清洗，丙酮、无水乙醇清洗，去离子水清洗，稀HF酸清洗，去离子水清洗。所述采用的硅片键合技术为直接键合方式，对准前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极输出压焊盘并贴合，施加一定的压力，然后做退火处理，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明提供的硅神经电极混合集成器件的制造方法，由于采用硅片键合技术在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容，所以能够隔离电极-电解液界面极化效应与测量对象的共模干扰，消除对前置放大器直流工作点的影响，简化前置放大器的设计与神经信号记录系统。
2、利用本发明提供的硅神经电极混合集成器件的制造方法，由于采用前置放大器与硅神经电极间的耦合电容作为前置放大器的输入电容，所以有利于减小前置放大器的面积，提高硅神经电极的空间分辨率。
3、利用本发明提供的硅神经电极混合集成器件的制造方法，采用硅片键合技术将硅神经电极和前置放大电路制造混合集成器件，有效减小器件体积，方便神经信号采集，提高采集神经信号的信噪比。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明提供的硅神经电极混合集成器件的制造方法流程图；
图2是依照本发明实施例制成的硅神经电极混合集成器件的示意图；
图3是依照本发明实施例制成的硅神经电极混合集成器件的截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的硅神经电极混合集成器件的制造方法流程图，该方法包括：
步骤1：制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极；
步骤2：在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层；
步骤3：在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层；
步骤4：对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光；以及
步骤5：采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容。
其中，步骤1中所述硅神经电极以绝缘层上硅材料为基片，在基片上从下至上依次由下绝缘层、金属层和上金属层三层构成。前置放大器芯片采用标准的CMOS工艺制作实现，前置放大器指标满足神经信号采集要求，前置放大器的低通截止点小于10kHz，带内积分噪声小于5μV，增益为5～1000倍。
步骤2中所述在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层，是先在前置放大器芯片表面制作掩膜，只留出芯片的输入压焊盘，将制作好的前置放大器芯片至于真空镀膜机中，在芯片的输入压焊盘中蒸镀金属层，以减小压焊盘与芯片表面的深度，为在压焊盘中制作绝缘层做准备。蒸镀的金属层采用的金属材料为铝、铟、金或银等。
步骤3中所述在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层，绝缘层材料选择二氧化硅或氮化硅等，制作的方法采用等离子体增强化学气相沉积法。
步骤4中所述对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光，是采用化学机械抛光技术对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光，抛光处理后前置放大器芯片输入压焊盘中的绝缘层与芯片表面处于同一平面。
步骤5中所述采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容，首先对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，然后采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。其中，对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，清洗过程依次为：去离子水超声清洗，丙酮、无水乙醇清洗，去离子水清洗，稀HF酸清洗，去离子水清洗。采用的硅片键合技术为直接键合方式，对准前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极输出压焊盘并贴合，施加一定的压力，然后做退火处理，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。
图2给出了最终的硅神经电极混合集成器件的示意图，硅神经电极混合集成器件包括硅神经电极21和前置放大器芯片22两部分。图3给出了硅神经电极混合集成器件的截面图，由金属层31和绝缘层32结构在硅神经电极21和前置放大器芯片22之间形成电容耦合，隔离界神经电极记录信号时面电势与干扰对前置放大器直流工作点的影响。
至此，本实施例介绍完毕。本领域技术人员根据上述描述，应对本发明制作硅神经电极混合集成器件的方法有了清楚认识。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，包括：
制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极；
在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层；
在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层；
对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光；以及
采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容。
2.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极的步骤中，硅神经电极以绝缘层上硅材料为基片，在基片上从下至上依次由下绝缘层、金属层和上金属层三层构成。
3.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述制作用于神经信号采集的前置放大器芯片和硅神经电极的步骤中，前置放大器芯片采用标准的CMOS工艺制作实现，前置放大器指标满足神经信号采集要求，前置放大器的低通截止点小于10kHz，带内积分噪声小于5μV，增益为5～1000倍。
4.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述在前置放大器芯片表面制作掩膜，在前置放大器芯片输入压焊盘中制作金属层的步骤中，是先在前置放大器芯片表面制作掩膜，只留出芯片的输入压焊盘，将制作好的前置放大器芯片至于真空镀膜机中，在芯片的输入压焊盘中蒸镀金属层，以减小压焊盘与芯片表面的深度，为在压焊盘中制作绝缘层做准备。
5.根据权利要求4所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述蒸镀的金属层采用的金属材料为铝、铟、金或银。
6.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述在前置放大器芯片表面和压焊盘中制作绝缘层的步骤中，绝缘层材料选择二氧化硅或氮化硅，制作的方法采用等离子体增强化学气相沉积法。
7.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光的步骤中，是采用化学机械抛光技术对前置放大器芯片和硅神经电极的表面进行抛光，抛光处理后前置放大器芯片输入压焊盘中的绝缘层与芯片表面处于同一平面。
8.根据权利要求1所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，在前置放大器与硅神经电极间形成耦合电容的步骤中，首先对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，然后采用硅片键合技术将前置放大器芯片与硅神经电极集成，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。
9.根据权利要求8所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述对抛光后的前置放大器芯片与硅神经电极清洗，清洗过程依次为：去离子水超声清洗，丙酮、无水乙醇清洗，去离子水清洗，稀HF酸清洗，去离子水清洗。
10.根据权利要求8所述的硅神经电极混合集成器件的制造方法，其特征在于，所述采用的硅片键合技术为直接键合方式，对准前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极输出压焊盘并贴合，施加一定的压力，然后做退火处理，使前置放大器芯片的输入压焊盘与硅神经电极的压焊盘形成耦合电容。
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