CN103829938B - 微电极阵列植入式芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微电极阵列植入式芯片及其制备方法。该微电极阵列植入式芯片包括：基底，其前端呈针状，向后逐渐增宽；测试电极层，形成于基底上，包括：至少一种的微电极阵列；绝缘层，形成于除微电极阵列所在区域之外的基底上；以及参比电极层，形成于绝缘层上，与测试电极层的微电极阵列相互错开，包括与至少一种微电极阵列相对应的参比电极。本发明中，参比电极与测试电极分布在不同平面上，从而节约了芯片面积，方便进行植入式操作。

Description

微电极阵列植入式芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)芯片技术领域，尤其涉及一种微电极阵列植入式芯片及其制备方法。

背景技术

在神经工程系统中，神经电极作为神经和电子的接口，它的主要功能是记录神经电生理信号和神经递质电化学信号，进行分析以研究神经系统的工作机理。目前，基于微机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)技术的植入式微电极已经在设计、材料、加工工艺和相关支撑技术方面得到了迅速发展，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。

在检测电化学信号时，发生的总化学反应是由两个独立的半反应构成的，每一个半反应与相应电极上的界面电势差相对应，大多数情况下我们只对其中一个反应感兴趣，该反应发生的电极称为工作电极。为了集中研究工作电极，必须将另一半反应标准化，就是使用由一个组分恒定的相构成的电极，即参比电极。

图1A为现有技术微电极阵列植入式芯片的平面示意图。图1B为图1A所示微电极阵列植入式芯片前端的放大示意图。如图1A和图1B所示的植入式电极中，只有微电极阵列，没有集成参比电极，导致记录信号时需另外植入参比电极，对植入操作造成不便，也影响信号。此外，在测量电化学信号时，没有对微电极阵列进行差分设计，除了各种噪声干扰外，一些不感兴趣的递质分子也会在电极上反应，从而导致测试结果不准确。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种微电极阵列植入式芯片及其制备方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种微电极阵列植入式芯片。该微电极阵列植入式芯片包括：基底，其前端呈针状，向后逐渐增宽；测试电极层，形成于基底上，包括：至少一种的微电极阵列；绝缘层，形成于除微电极阵列所在区域之外的基底上；以及参比电极层，形成于绝缘层上，与测试电极层的微电极阵列相互错开，包括与至少一种微电极阵列相对应的参比电极。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述微电极阵列植入式芯片的制备方法。该制备方法包括：在基底上形成测试电极层，该测试电极层包括至少一种的微电极阵列；在除微电极阵列所在区域之外的基底上形成绝缘层；在绝缘层上形成与测试电极层的微电极阵列相互错开的参比电极层，该参比电极层包括与至少一种微电极阵列相对应的参比电极；将基底刻蚀为针形。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明微电极阵列植入式芯片及其制备方法具有以下有益效果：

(1)参比电极与测试电极分布在不同平面上，从而节约了芯片面积，方便进行植入式操作；

(2)在同一芯片上同时集成了电化学测试电极和电生理测试电极，实现了电生理和电化学信号的同步检测；

(3)电化学微电极阵列中的电化学检测位点可分为两组(每组两个)，在其中一组位点修饰复合敏感膜材料，另一组不做修饰，检测时将两组信号差分，可有效排除噪声、干扰物质的影响。

附图说明

图1A为现有技术微电极阵列植入式芯片的平面示意图；

图1B为图1A所示微电极阵列植入式芯片前端的放大示意图

图2为根据本发明实施例的微电极阵列植入式芯片的平面示意图；

图3为图2所示微电极阵列植入式芯片中测试电极层尖端的局部放大图；

图4为根据本发明实施例的微电极阵列植入式芯片制备方法的流程图；

图5为按照图4所示方法制备微电极阵列植入式芯片过程中各步骤之后的剖面示意图。

【主要元件符号说明】

1-电化学微电极阵列；2-电生理微电极阵列；

3-对电极；4-电化学参比电极；

5-电生理参比电极；6-引线组；

7-焊盘组；8-硅针基底。

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。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种超细差分型多参比神经检测微电极阵列植入式芯片及其制备方法。该芯片含有多个通道，将在体多通道神经电生理检测、神经递质检测的功能集成一体，且包含了对电极、电生理参比电极、电化学参比电极，微电极阵列的电极排列设计具有差分功能。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种微电极阵列植入式芯片。图2为根据本发明实施例的微电极阵列植入式芯片的平面示意图。请参照图2，该微电极阵列植入式芯片自上而下包括：硅针基底、测试电极层、绝缘层和参比电极层。其中：

硅针基底为整个芯片的载体，厚度30μm。其前段呈针状，尖端为60度角，向后逐渐增宽，最宽处356μm。如图2所示，该硅针基底为单针形，当然其也可设计为多针型，其前端呈平行排列、等长的几根针状分支。

本实施例中，基底采用绝缘硅(Silicon-On-Insulator，简称SOI)，当然也可以选取其他半导体材料，例如：单晶硅、掺杂硅、或硼扩散硅等等。

在测试电极层分布有：电化学微电极阵列1、电生理微电极阵列2。电化学微电极阵列1用于神经递质检测。电生理微电极阵列2可用于电生理检测或施加电刺激。

图3为图2所示微电极阵列植入式芯片中测试电极层尖端的局部放大图。如图3所示，电化学微电极阵列1分布着4个15×333μm的方形电极，分成相对的两组，每组中2个电极的距离为30μm，两组之间的距离是150μm。这样的差分设计可实现递质的特异性检测。例如，在检测谷氨酸时，一组电化学微电极上修饰谷氨酸氧化酶，可以与谷氨酸反应，同时也会有其他递质的响应，另一组不做修饰，将不与谷氨酸反应，但也会有其他递质的响应，将这两组信号差分就得到谷氨酸的浓度信号。电生理微电极阵列2包含12个直径为20μm的圆形电极。为节省空间，在两组方形电极中间均匀分布了2个圆形电极，其余10个圆形电极沿直线排列，间距为80μm。

参比电极层通过绝缘层与测试电极层隔开。距离电极尖端最远的电生理微电极300μm处，分别有对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5，此三电极尺寸分别为200×267μm、200×278μm、200×294μm。在进行双模检测中这三个参比电极可分别作为对电极、电化学参比电极、电生理参比电极。

在所述的电化学参比电极4上，还可在其上镀Ag|AgCl层，起到更稳定的参比作用。

本实施例中，参比电极与测试电极分布在不同平面上，从而节约了芯片面积，方便进行植入式操作。

如图2所示，测试电极层还分布有：引线组6及焊盘组7。其中，引线组6及焊盘组7既包括电化学微电极阵列1和电生理微电极阵列2的引线及焊盘，还包括对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5的引线及焊盘。

同处测试电极层的电化学微电极阵列1和电生理微电极阵列2直接通过相应引线连接至对应焊盘。对于处在参比电极层的对电极、电化学参比电极、电生理参比电极，在连接三个参比电极的导线上将绝缘层开孔，使其只与相应的电极导通。从而，所有电极均通过引线延伸至硅针基底8的尾端，与方形焊盘相连接。焊盘尺寸200×200μm，用于通过压焊的方式使电极与外部电路相连接。

本实施例中，电化学微电极阵列1、电生理微电极阵列2、对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5、引线组6、焊盘组7的材料为铂金属薄膜，引线组6表面除了与对电极、电化学参比电极、电生理参比电极连接的部分外都覆盖有氮化硅薄膜绝缘层。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种微电极阵列植入式芯片。该微电极阵列植入式芯片同样自上而下包括：硅针基底、测试电极层、绝缘层和参比电极层。但是，在测试电极层，其只包含电化学微电极阵列和电生理微电极阵列其中之一，并且在参比电极层，其只包含电化学微电极阵列和电生理微电极阵列相应的参考电极。除此之外，本实施例的微电极阵列植入式芯片的结构与上述实施例微电极阵列植入式芯片的结构类似，此处不再重述。

此外，本领域技术人员应当清楚，虽然本实施例给出了电化学微电极阵列和电生理微电极阵列的具体排列方式，但在实际场景下，可以根据需要合理设置两者的具体排列方式，此处不再一一列举。

在利用本实施例微电极阵列植入式芯片进行测试时，将硅针基底8前端的针尖部分植入活体动物的神经组织，使电化学微电极阵列1和电生理微电极阵列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。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种微电极阵列植入式芯片的制备方法。图4为根据本发明实施例的微电极阵列植入式芯片制备方法的流程图。图5为按照图4所示方法制备微电极阵列植入式芯片过程中各步骤之后的剖面示意图。

请参照图4及图5，本实施例微电极阵列植入式芯片制备方法包括：

步骤S402，选用SOI硅片作为衬底，如图5中a所示；

步骤S404，采用低压化学气相沉积(LowPressureChemicalVaporDeposition，简称LPCVD)在SOI硅片上生长200nm厚的氮化层；

步骤S406，在氮化层上旋涂一层正性光刻胶AZ1500，厚度1μm，光刻显影后形成电化学微电极阵列1、电生理微电极阵列2、引线组6、焊盘组7的图案；

步骤S408，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，如图5中b所示；

步骤S410，采用剥离工艺去除多余的Ti/Pt薄膜层，留下所需电化学微电极阵列1、电生理微电极阵列2、引线组6、焊盘组7，如图5中c所示；

步骤S412，在基底表面，采用等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedChemicalVaporDeposition，简称PECVD)方法沉积氮化硅(Si3N4)绝缘层，厚度800nm。

步骤S414，通过光刻和SF6等离子刻蚀的方法，暴露出电化学微电极阵列1和电生理微电极阵列2，焊盘组7以及连接对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5的200μm长的引线，保留其余引线表面覆盖的氮化硅绝缘层，如图5中d所示；

步骤S416，旋涂一层正性光刻胶AZ1500，厚度1μm，光刻显影后形成对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5的图案；

步骤S418，在光刻胶图案表面溅射一层厚度30nm的Ti种子层，以增加Pt导电薄膜层与绝缘层的粘附性，接着溅射250nm的Pt薄膜层；

步骤S420，采用剥离工艺去除多余的Ti/Pt薄膜层，留下所需对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5，如图5中e所示；

对电极3、电化学参比电极4、电生理参比电极5都通过与其相连的导线连接到焊盘。

步骤S422，采用深刻蚀工艺刻蚀出硅针基底外形，如图5中f所示；采用湿法腐蚀工艺去掉SOI硅片底层硅，释放硅针基底，如图5中g所示；

步骤S424，得到硅针芯片后，在电化学参比电极(4)上化学沉积4-5μm的银，再在这层银上通过50mM的KCl反应生成AgCl，这样就在芯片上形成了Ag|AgCl参比电极。在测神经递质如谷氨酸时，一组电化学微电极上修饰谷氨酸氧化酶，可以与谷氨酸反应，同时也会有其他递质的响应，另一组不做修饰，将不与谷氨酸反应，但也会有其他递质的响应，将这两组信号差分就得到谷氨酸的浓度信号。

综上所述，本发明提供了一种微电极阵列植入式芯片及其制备方法。该微电极阵列植入式芯片采用微机电系统(MEMS)工艺加工制备，克服了以往微电极芯片含有参比电极后电极宽度变大的缺陷，同时对电极阵列的设计包含了差分功能，具有重复性好，性能稳定，使用方便等优点，有利于在体电生理、神经递质信号的检测。

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 (9)

1.一种微电极阵列植入式芯片，其特征在于，包括：

基底，其前端呈针状，向后逐渐增宽；

测试电极层，形成于所述基底上，包括：电化学微电极阵列，包括若干组电化学电极，每组两个电化学电极；以及电生理微电极阵列，包括若干个与所述电化学电极相互错开的电生理电极；

绝缘层，形成于除所述电化学微电极阵列和电生理微电极阵列所在区域之外的基底上；以及

参比电极层，形成于所述绝缘层上，与所述测试电极层的电化学微电极阵列和电生理微电极相互错开，包括：相互错开的对电极、电化学参比电极和电生理参比电极；

其中，参比电极层和测试电极层分布于不同平面上；

其中，所述测试电极层还包括：引线组，包括分别与所述若干组电化学电极、若干个电生理电极、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极相对应的引线；以及焊盘组，包括分别与所述引线组中各条引线相对应的焊盘，用于将电化学电极、电生理电极、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极的信号引入外部电路；其中，所述电化学电极和电生理电极直接与相应的引线相连接，所述对电极、电化学参比电极和电生理参比电极分别通过将对应位置的绝缘层开孔与相应的引线连接。

2.根据权利要求1所述的微电极阵列植入式芯片，其特征在于，所述电化学微电极阵列至少包含两组的电化学电极；

该两组的电化学电极中，其中一组的位点上修饰复合敏感膜材料，另一组的位点上不修饰复合敏感膜材料，用于提供两组的差分信号。

3.根据权利要求1所述的微电极阵列植入式芯片，其特征在于，还包括：Ag|AgCl层，沉积于所述电化学参比电极上。

4.根据权利要求1所述的微电极阵列植入式芯片，其特征在于：

所述电化学微电极阵列包括：4个方形的电化学电极，分为相对的两组；

所述电生理微电极阵列包括：12个圆形的电生理电极，其中两个电生理电极位于两组电化学电极之间，其余10个圆形电极沿直线排列于基底的内侧。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微电极阵列植入式芯片，其特征在于，对于所述基底：其形状为单针形或多针形；其材料为SOI，单晶硅、掺杂硅、或硼扩散硅。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的微电极阵列植入式芯片，其特征在于：所述绝缘层的材料为氮化硅；所述测试电极层和参比电极层的材料为铂。

7.一种微电极阵列植入式芯片的制备方法，其特征在于，包括：

在基底上形成测试电极层，该测试电极层包括：电化学微电极阵列，包括若干组电化学电极，每组两个电化学电极；以及电生理微电极阵列，包括若干个与所述电化学电极相互错开的电生理电极；其中，该测试电极层还包括：引线组和引线盘；其中引线组包括分别与所述若干组电化学电极、若干个电生理电极、电化学参比电极、电生理参比电极相对应的引线；焊盘组包括分别与所述引线组中各条引线相对应的焊盘，用于将电化学电极、电生理电极、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极的信号引入外部电路；

在除所述电化学微电极阵列和电生理微电极阵列所在区域之外的基底上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成与所述测试电极层的电化学微电极阵列和电生理微电极阵列相互错开的参比电极层，该参比电极层包括：相互错开的对电极、电化学参比电极和电生理参比电极；其中，所述电化学电极和电生理电极直接与相应的引线相连接，所述对电极、电化学参比电极和电生理参比电极分别通过将对应位置的绝缘层开孔与相应的引线连接，其中，参比电极和测试电极分布于不同平面上；

将基底刻蚀为针形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在基底上形成测试电极层的步骤包括：

在基底上旋涂光刻胶，光刻显影后形成电化学微电极阵列、电生理微电极阵列、引线组、焊盘组的图案；

在光刻胶图案表面溅射金属，在移除多余的金属之后，形成电化学微电极阵列、电生理微电极阵列、引线组和焊盘组。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述在除电化学微电极阵列和电生理微电极阵列所在区域之外的基底上形成绝缘层的步骤包括：在基底表面沉积绝缘层；通过刻蚀，暴露出电化学微电极阵列和电生理微电极阵列，及连接对电极、电化学参比电极、电生理参比电极的引线；

所述在绝缘层上形成与所述测试电极层的电化学微电极阵列和电生理微电极阵列相互错开的参比电极层的步骤包括：旋涂光刻胶，光刻显影后形成对电极、电化学参比电极、电生理参比电极的图案；

在光刻胶图案表面溅射金属，在移除多余的金属之后，形成对电极、电化学参比电极和电生理参比电极。