CN104330440A - 基于有机晶体管的植入式柔性传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器，包括：一衬底支撑层；一左金属源电极，该左金属源电极制作在该衬底支撑层表面中间的一侧；一右金属漏电极，该右金属漏电极制作在该衬底支撑层表面中间的另一侧，与金属源电极相隔一预定距离；一绝缘层，该绝缘层制作在衬底支撑层和左金属源电极和右金属漏电极的部分上面，该绝缘层的中间为断开窗口；一有机导电聚合物有源层，该导电聚合物有源层制作在绝缘层断开的窗口内，并覆盖左金属源电极和右金属漏电极，该导电聚合物有源层对电生理活动所引起的离子浓度敏感；一辅助传感器植入目标组织的鞘结构，该鞘结构制作在绝缘层断开一侧的上面，该鞘结构用于辅助整个柔性传感器植入到脑组织深部，以便记录到单个神经元信号。

Description

基于有机晶体管的植入式柔性传感器及制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种用于生物电生理信号记录电极传感器设计及加工领域，更具体涉及一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器及制备方法。

背景技术

癫痫、帕金森疾病、老年痴呆、中风引起的脑损伤等神经性疾病严重威胁着人类的健康和生命安全。据报道，医学研究已经发现了超过500种脑部疾病，包括从偏头痛到精神分裂症和老年痴呆症。目前医学界对这些神经性疾病的发病机理认识极其有限。神经电生理信号-体内离子运动所产生的电场(或场电位)波动信号的研究为了解神经发育、神经性疾病和衰老的机制提供了新的前所未有的视角。在生物体内，离子通道和离子泵引起离子跨膜流动，形成了生物体内的神经电生理信号，而诸多神经生理过程和神经性疾病与神经电生理信号的表达是密切相关的。除了感觉和运动信号传输之外，神经电信号还控制和调节着生物体内许多其它过程，比如胚胎神经系统的分化和神经变性的修复等。利用电生理记录手段，深入了解与揭示癫痫、帕金森疾病、老年痴呆、中风等这些神经性疾病的发病机理，可以实现对这些神经类疾病准确而有效地诊断。研制可在体长期工作的高灵敏度神经电信号传感器件，从单细胞水平和突触水平来探索检测神经电生理信号是实现这一目标的重中之重。

传统的这些用来记录监测神经电生理信号的传感器件大都是基于无机金属材料(金、铂和铱等)的无源电极器件，这些无源的器件的力学性能与生物组织之间存在严重的不匹配，这种不匹配会引起组织炎症反应以及胶质细胞包裹等，从而会使器件缓慢失效。最关键的是这些无源电极器件在信噪比等性能方面还有诸多不足。其监测或调控神经电生理信号的材料与器件的发展水平还远没达到理想的水平。随着微电子技术的发展，近些年发展出基于场效应晶体管(field-effect transistors，FET)的体外电生理信号传感器。相比传统的无源电极传感器，这种有源传感器能够记录到高信噪比的电生理信号，这主要是由于有源晶体管传感器器件自身的局部信号放大能力。而且可以通过对FET高密度的矩阵集成，实现对电生理信号的更高空间分辨率的解析。尽管如此，但FET器件还局限于应用在体外细胞培养与组织切片的电生理信号记录。这主要是因为FET栅氧化层的生物相容性比较差，不太适合植入组织进行在体的电生理信号记录。

1984年，White等人首次提出了有机电化学晶体管，这种晶体管器件的有源沟道层是直接与电解液相接触的。沟道层与电解液的直接接触是有机电化学晶体管区别于FET的最大特点，也是有机电化学晶体管发挥其独特优势的重要来源。目前，有机电化学晶体管器件中所采用的沟道有机活性材料通常是导电聚合物(PEDOT∶PSS)，它是一种重掺杂的P型有机半导体。PEDOT∶PSS这种混合材料具有优良的生物相容性以及与神经组织良好的力学匹配度，这使得它们特别适合作为生物功能性的神经界面材料。而且有机材料通常具有很好的柔韧性，因此可以用来设计一些用于非平面场合下的器件，如脑皮层部位使用的Ecog电极，该电极需要与大脑皮层起伏的沟回有很好地吻合度。PEDOT∶PSS材料一个重要的优势是它不仅支持电子与空穴传输，而且还支持离子传输，这种特性极大地扩展了有机材料的器件与生物神经系统交互通信的内容范围。基于有机电化学晶体管的传感器原理可以通过结合下面的电化学方程式来阐述：PEDOT+∶PSS-(氧化态)+M++e-PEDOTO(还原态)+M+∶PSS-，其中M+代表溶液环境中的阳离子，e-代表电子，导电聚合物的氧化态代表其具有较高的电导率，而还原态代表其较低的电导率。由神经元活动所引起的液体中离子浓度的局部变化将影响有源层导电聚合物的电导率，从而调控流过源漏通道之间的电流。这种晶体管强烈地放大来自神经元的信号，比无缘传感器能更好地改善信噪比。

相比现有的无源电极传感器或FET这两种器件，有机电化学晶体管器件用于神经电生理信号传感记录具有以下两方面的优势：首先，与无源电极传感器相比，由于有机电化学晶体管自身晶体管所具有对信号放大能力，因而能提高信号对后级电子线路噪声的抗干扰能力，从而可以记录到高信噪比的神经电生理信号。在传统的无源电极传感器工作使用中，前置放大器是位于动物体外的，在信号传输到放大器的路径中，导线及连接处的噪声和原始信号被一同放大，因此设备所采集到信号的信噪比也被降低了；其次，与FET相比，有机电化学晶体管不需要栅氧化层，其沟道层是直接与组织溶液环境相接触的，而且所用的PEDOT∶PSS沟道层材料的生物相容性和力学特性都是适合于电生理信号的在体长期记录。微型的可植入式(或可插入式)电极通过插入脑组织深部，可以检测到靠近电极的单个神经元信号，这使得记录到的神经信号更加局域化和精准化。而现有的基于有机电化学晶体管的电生理信号记录传感器主要问题在于传感器要么是非柔性的，要么无法在脑组织深部植入。而本发明提出的传感器结构，既具有很好的柔韧性，同时可以通过其鞘结构辅助植入到处于神经组织较深的部位，以最小的损伤代价，记录到单个神经元的发放。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器及制备方法，该传感器不仅具有很高的柔韧性、生物相容性、信噪比，还能植入脑组织深部；本发明的制备方法具有工艺简单、可靠性高的优点。

本发明提供一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器，包括：

一衬底支撑层；

一左金属源电极，该左金属源电极制作在该衬底支撑层表面中间的一侧；

一右金属漏电极，该右金属漏电极制作在该衬底支撑层表面中间的另一侧，与金属源电极相隔一预定距离；

一绝缘层，该绝缘层制作在衬底支撑层和左金属源电极和右金属漏电极的部分上面，该绝缘层的中间为断开窗口；

一有机导电聚合物有源层，该导电聚合物有源层制作在绝缘层断开的窗口内，并覆盖左金属源电极和右金属漏电极，该导电聚合物有源层对电生理活动所引起的离子浓度敏感；

一辅助传感器植入目标组织的鞘结构，该鞘结构制作在绝缘层断开一侧的上面，该鞘结构用于辅助整个柔性传感器植入到脑组织深部，以便记录到单个神经元信号。

本发明还提供一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其步骤为：

(1)在硅基底上沉积铝做第一层牺牲层；再沉积第一层柔性聚合物作为衬底支撑层；

(2)然后采用光刻剥离的方法在衬底支撑层上制作左金属源电极和右金属源电极；然后再在左金属源电极和右金属源电极上沉积第二层柔性聚合物作为绝缘层；

(3)在绝缘层上旋涂一层预定浓度的抗粘附剂；

(4)在抗粘附剂之上沉积第三层柔性聚合物，第三层柔性聚合物材料与衬底支撑层相同；

(5)然后再在第三层柔性聚合物上制作第一层图形化的刻蚀掩膜层，再刻蚀上述所沉积的第一、第二和第三层柔性聚合物，由此暴露出左金属源电极、右金属源电极和连接用电极；去除刻蚀掩膜层，形成芯片；

(6)在芯片表面旋涂一层有机导电聚合物，揭掉第三层柔性聚合物，以此形成有机导电聚合物有源层；

(7)在芯片上沉积第二层牺牲层，并图形化；然后再沉积第四层柔性聚合物，第四层柔性聚合物材料与衬底支撑层相同；然后再在第四层柔性聚合物上制作第二层图形化的刻蚀掩膜层，第二层刻蚀掩膜层材料与第一层相同；然后再刻蚀第四层柔性聚合物；去除第二层刻蚀掩膜层和第二层牺牲层，在第三层与第四层之间形成一个平行的一端开口一端闭口的微通道；

(8)将热的不锈钢微丝从微通道的开口端插入，待微丝冷却后将其拨出，形成辅助植入用的鞘结构，完成制备。

本发明的有益效果是，基于有机电化学晶体管电生理信号记录传感器带有辅助植入用的鞘结构，使得该传感器在整体为柔性的情况下还能很方便地植入到目标组织深部。该传感器还集合了有机电化学晶体管的信号放大功能，使得传感器能提取到高信噪比的电生理信号。总之，本发明实现了柔性、可植入、高生物相容性和高信噪比的集成，因此可以实现对脑组织深部单个神经元信号的高灵敏度的长期记录，为神经电生理的研究提供优良的传感工具，为脑科学的研究提供技术支持，而且还可以提高对脑神经疾病的诊断与治疗水平。

附图说明

为了进一步理解本发明，以下结合实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的制备流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器，包括：

一衬底支撑层10，该衬底支撑层10的厚度为1μm-15μm，衬底支撑层10厚度的选择可以根据具体应用要求，厚度越薄，传感器可以展示出更好的柔韧性；

一左金属源电极20，该左金属源电极20制作在该衬底支撑层10表面中间的一侧；

一右金属漏电极21，该右金属漏电极21制作在该衬底支撑层10表面中间的另一侧，与金属源电极20相隔一预定距离；

一绝缘层11，该绝缘层11制作在衬底支撑层10和左金属源电极20和右金属漏电极21的部分上面，该绝缘层11的中间为断开窗口31，该绝缘层11的厚度为1μm15μm，绝缘层11厚度的选择可以根据具体应用要求，厚度越薄，传感器可以展示出更好的柔韧性；

一有机导电聚合物有源层30，其材料为聚3，4-亚乙基二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)，该导电聚合物有源层30制作在绝缘层11断开的窗口31内，并覆盖左金属源电极20和右金属漏电极21，该导电聚合物有源层30对电生理活动所引起的离子浓度敏感。当阳离迁移进入到有机导电聚合物有源层30中，阳离子补偿了有机导电聚合物有源层30中部分阴离子，从而使有机导电聚合物有源层30的阻抗变大，所以在恒定的源漏电压(源电极20与漏电极21之间的电压)下，源电极20与漏电极21之间的电流会因阳离子迁移进入有源层30而减小，反之亦然。电生理活动所引起的组织溶液环境中离子浓度变化，会改变阳离子在有机导电聚合物有源层30中分布，从而改变源电极20与漏电极21之间的电流；

一辅助传感器植入目标组织的鞘结构40，该鞘结构40制作在绝缘层11断开一侧的上面，该鞘结构40用于辅助整个柔性传感器植入到脑组织深部，以便记录到单个神经元信号。该鞘结构40的材料为聚对二甲苯，鞘结构40的高度为30μm-100μm，宽度为100μm-500μm，长度为1mm-3mm，鞘结构40壁的厚度为5μm-10μm。

其中金属源电极20与金属漏电极21的尺寸大小是相同的，其材料为金。金属源电极20与金属漏电极21的厚度为20nm-1μm，其厚度会影响到传感器的整体柔韧性；

其中金属源电极20与金属漏电极21之间的间距为20nm-30μm，其间距会影响到传感器的传感灵敏度和响应速度，间距越小，传感器越灵敏，响应越快；

其中金属源电极20与金属漏电极21的宽度和金属源电极20与金属漏电极21之间的间距的比值为1-1000，该比值会影响到传感器的传感灵敏度，比值越大，传感器越灵敏，响应越快；

其中该绝缘层11在金属源电极20和金属漏电极21处有开口，开口的大小介于不暴露金属源电极20和金属漏电极21与全暴露金属源电极20和金属漏电极21之间，但不包含这两种边界情况；

其中金属源电极20和金属漏电极21所暴露的面积是相等的；

其中有机导电聚合物有源层30厚度为50nm-5μm，但有机导电聚合物有源层30厚度小于绝缘层11的厚度。该有机导电聚合物有源层30将暴露的金属源电极20和金属漏电极21区域全部覆盖；

其中有机导电聚合物有源层30的材料为聚3，4亚乙基二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)，该有机导电聚合物有源层30的电导率对其所接触的组织溶液环境中的离子浓度变化敏感。聚3，4亚乙基二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)具有良好的生物相容性，可以提高传感器的在体记录的长期有效性；

其中衬底支撑层10、绝缘层11、鞘结构40的材料为聚对二甲苯(parylene)。聚对二甲苯材料具有很好的柔韧性和生物相容性。聚对二甲苯的沉积是室温沉积，不会产生热应力。

请参阅图2并结合参阅图1，本发明提供一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其步骤为：

(1)在硅基底上沉积铝做第一层牺牲层，铝的厚度为100nm-1000nm；再沉积第一层柔性聚合物作为衬底支撑层10，衬底支撑层的材料为聚对二甲苯，其厚度为1μm-15μm；

(2)然后采用光刻剥离的方法在衬底支撑层10上制作左金属源电极20和右金属源电极21，左金属源电极和右金属源电极的厚度为20nm-1μm，宽度为1μm-1mm，长度在1μm-1mm，其主要作用是用于传导有机导电聚合物有源层30的阻抗变化；然后再在左金属源电极20和右金属源电极21上沉积第二层柔性聚合物作为绝缘层11，厚度为1μm-15μm，绝缘层11厚度的选择可以根据具体应用要求，厚度越薄，传感器可以展示出更好的柔韧性；

(3)在绝缘层11上旋涂一层预定浓度的抗粘附剂Micro-90，该抗粘附剂的浓度选择在1％-3％之间，抗粘附的作用是降低后续沉积在绝缘层11之上的柔性聚合物与绝缘层11之间的粘附能力，抗粘附剂的浓度太高会使后续沉积在绝缘层11之上的柔性聚合物与绝缘层11在后续工艺过程中自然脱离，而太低就达不到抗粘附的效果；

(4)在抗粘附剂之上沉积第三层柔性聚合物，第三层柔性聚合物材料与衬底支撑层10相同，第三层柔性聚合物是用来图形化有机导电聚合物，形成有机导电聚合物有源层30；

(5)然后再在第三层柔性聚合物上制作第一层图形化的刻蚀掩膜层，掩膜层的材料一般为铝或光刻胶，再通过氧等离子体干法刻蚀方法刻蚀上述所沉积的第一、第二和第三层柔性聚合物，由此暴露出左金属源电极20、右金属源电极21和连接用电极；去除刻蚀掩膜层，去除剂一般是铝的腐蚀液或丙酮，形成芯片；

(6)在芯片表面旋涂一层有机导电聚合物，揭掉第三层柔性聚合物，以此形成有机导电聚合物有源层30；

(7)在芯片上沉积第二层牺牲层，牺牲层的材料一般为铝，并图形化；然后再沉积第四层柔性聚合物，第四层柔性聚合物材料与衬底支撑层10相同；然后再在第四层柔性聚合物上制作第二层图形化的刻蚀掩膜层，第二层刻蚀掩膜层材料与第一层刻蚀掩膜层相同；然后再刻蚀第四层柔性聚合物；去除第二层刻蚀掩膜层和第二层牺牲层，在第三层与第四层之间形成一个平行的一端开口一端闭口的微通道；

(8)将热的不锈钢微丝从微通道的开口端插入，待微丝冷却后将其拨出，形成辅助植入用的鞘结构40，该鞘结构40的材料为聚对二甲苯，该鞘结构40的高度为30μm-100μm，宽度为100μm-500μm，长度为1mm-3mm，鞘结构40壁的厚度为5μm-10μm，完成制备。由于柔性聚合物聚对二甲苯具有热塑性，所以可以通过热的不锈钢微丝进行制备鞘结构。

其中所述第一、第二、第三和第四层柔性聚合物材料为聚对二甲苯；所述有机导电聚合物有源层30所使用的材料为聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐。

下面为基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法的实施例。它包括8个步骤。

1、在一个硅基底上沉积第一层牺牲层铝，其厚度为500nm；然后再沉积第一层柔性聚合物parylene作为衬底支撑层，其厚度为15μm；

2、在衬底支撑层上用负光刻胶AR4340光刻出电极图形，然后在光刻胶图形上蒸发一层300nm厚的金，使用丙酮剥离光刻胶，制作出金源漏电极和连接用电极；然后再在金层上沉积第二层柔性聚合物parylene作为绝缘层，其厚度为15μm；

3、在绝缘层上旋涂一层浓度为1％的Micro-90抗粘附剂，这层抗粘附剂为了后面揭掉第三层parylene图形化PEDOT∶PSS使用；

4、在Micro-90抗粘附剂之上沉积第三层柔性聚合物parylene；

5、然后再在第三层柔性聚合物上蒸发一层500nm厚的铝，然后在铝上面用光刻胶光刻出图形，然后用光刻胶图形做掩膜，腐蚀出铝图形，完成第一层图形化的刻蚀掩膜层制作；然后再用氧等离子体刻蚀上述所沉积的三层柔性聚合物，由此暴露出源漏电极和连接用电极；依次用丙酮和铝的腐蚀液去除刻蚀掩膜层，形成芯片；

6、在上述芯片表面旋涂涂覆一层有机导电聚合物PEDOT∶PSS作为有机电化学晶体管的有源层，其厚度为300nm；因为有Micro-90抗粘附剂的存在，所用可以很容易的用镊子揭掉第三层柔性聚合物，以此图形化有机导电聚合物层；

7、在上述芯片上沉积第二层牺牲层光刻胶，其厚度为30μm，并图形化；然后再沉积第四层柔性聚合物parylene；然后再在第四层柔性聚合物上制作第二层图形化的刻蚀掩膜层，其制作材料和方法与步骤(5)中相同；然后用氧等离子体刻蚀第四层柔性聚合物；去除第二层刻蚀掩膜层，去除方法与步骤(5)中相同；去除牺牲层光刻胶；由此可以在传感器侧端形成一个平行的一端开口一端闭口的微通道；

8、将热的不锈钢微丝从微通道的开口端插入，待微丝冷却后将其拨出，形成辅助植入用的鞘结构。

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 (7)

1.一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器，包括：

一衬底支撑层；

一左金属源电极，该左金属源电极制作在该衬底支撑层表面中间的一侧；

一右金属漏电极，该右金属漏电极制作在该衬底支撑层表面中间的另一侧，与金属源电极相隔一预定距离；

一绝缘层，该绝缘层制作在衬底支撑层和左金属源电极和右金属漏电极的部分上面，该绝缘层的中间为断开窗口；

一有机导电聚合物有源层，该导电聚合物有源层制作在绝缘层断开的窗口内，并覆盖左金属源电极和右金属漏电极，该导电聚合物有源层对电生理活动所引起的离子浓度敏感；

一辅助传感器植入目标组织的鞘结构，该鞘结构制作在绝缘层断开一侧的上面，该鞘结构用于辅助整个柔性传感器植入到脑组织深部，以便记录到单个神经元信号。

2.如权利要求1所述的基于有机晶体管的植入式柔性传感器，其中该鞘结构的材料为聚对二甲苯。

3.如权利要求1所述的基于有机晶体管的植入式柔性传感器，其中该鞘结构的高度为30μm-100μm，宽度为100μm-500μm，长度为1mm-3mm，鞘结构40壁的厚度为5μm-10μm。

4.一种基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其步骤为：

(1)在硅基底上沉积铝做第一层牺牲层；再沉积第一层柔性聚合物作为衬底支撑层；

(2)然后采用光刻剥离的方法在衬底支撑层上制作左金属源电极和右金属源电极；然后再在左金属源电极和右金属源电极上沉积第二层柔性聚合物作为绝缘层；

(3)在绝缘层上旋涂一层预定浓度的抗粘附剂；

(4)在抗粘附剂之上沉积第三层柔性聚合物，第三层柔性聚合物材料与衬底支撑层相同；

(5)然后再在第三层柔性聚合物上制作第一层图形化的刻蚀掩膜层，再刻蚀上述所沉积的第一、第二和第三层柔性聚合物，由此暴露出左金属源电极、右金属源电极和连接用电极；去除刻蚀掩膜层，形成芯片；

(6)在芯片表面旋涂一层有机导电聚合物，揭掉第三层柔性聚合物，以此形成有机导电聚合物有源层；

(7)在芯片上沉积第二层牺牲层，并图形化；然后再沉积第四层柔性聚合物，第四层柔性聚合物材料与衬底支撑层相同；然后再在第四层柔性聚合物上制作第二层图形化的刻蚀掩膜层，第二层刻蚀掩膜层材料与第一层相同；然后再刻蚀第四层柔性聚合物；去除第二层刻蚀掩膜层和第二层牺牲层，在第三层与第四层之间形成一个平行的一端开口一端闭口的微通道；

(8)将热的不锈钢微丝从微通道的开口端插入，待微丝冷却后将其拨出，形成辅助植入用的鞘结构，完成制备。

5.根据权利要求4所述的基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其中所述第一、第二、第三和第四层柔性聚合物材料为聚对二甲苯；所述有机导电聚合物有源层所使用的材料为聚3，4-亚乙基二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐。

6.如权利要求4所述的基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其中该鞘结构的材料为聚对二甲苯。

7.如权利要求4所述的基于有机晶体管的植入式柔性传感器的制备方法，其中该鞘结构的高度为30μm-100μm，宽度为100μm-500μm，长度为1mm-3mm，鞘结构壁的厚度为5μm-10μm。