CN109820481B

CN109820481B - 神经光电极及其制备方法

Info

Publication number: CN109820481B
Application number: CN201910132172.7A
Authority: CN
Inventors: 裴为华; 徐淮良; 苏越; 杨晓伟
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN109820481A

Abstract

本发明公开了一种神经光电极及其制备方法，属于神经光电极制备领域，其中，神经光电极包括：蓝宝石光阵列器件、金属丝电极以及紫外胶；所述金属丝电极通过所述紫外胶固定于所述蓝宝石光阵列器件的表面。本发明采用蓝宝石光阵列与金属丝电极相贴附的方式，将刺激通道以及记录通道在空间范围内隔离，有效的降低电刺激噪声；便于组装，金属丝电极的位置以及数量可以依据需求进行组装；光源采用光阵列的方式有利于对多个脑区进行刺激并记录，实现神经活动的高通量检测。

Description

神经光电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及神经光电极制备领域，特别涉及一种神经光电极及其制备方法。

背景技术

大脑是生物体内结构和功能最复杂的系统，它由上千亿个神经细胞组成，这些细胞依靠脉冲放电和神经递质释放两种模式来完成各种复杂的信息传递与整合功能。对这些多维信息加以全面、准确、实时、同步的检测，是促进神经性重大疾病检测诊断和康复治疗的基本手段和重要途径。传统用于监测大脑神经活动的电极采用电刺激的方式来刺激和记录神经元，这种方式对神经元没有选择性并且会导致细胞产生不可逆的损伤，因此，人们采用光学技术和遗传技术相结合的方式来实现选择性控制细胞行为，并且设计并制备出可同时实现光调控和多通道电生理记录的器件，即神经光电极。

目前的神经光电极主要分为波导植入式光电极以及光源LED式光电极，波导植入式光电极具有耦合效率低并且其可独立寻址的光通道的数量有限的劣势，为此光源LED式光电极凭借其高输出功率以及可便于多光源集成的优势被广泛的用于光遗传学研究。然而其在记录过程中存在显著的电刺激噪声，这是由于刺激通道以及记录通道极其接近所导致的，进而限制光源刺激波形的选择。目前已经证明采用双金属层屏蔽结构可以有效的屏蔽记录电极及其长互连线，减少电刺激噪声。但是这种方式制备过程繁琐并且记录点位置固定，无法实现记录点以及光源的自由组装，实用性不太理想。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于MEMS工艺的神经光电极制备方法及神经光电极，以便解决上述问题的至少之一。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种神经光电极，包括：

蓝宝石光阵列器件、金属丝电极以及紫外胶；

所述金属丝电极通过所述紫外胶固定于所述蓝宝石光阵列器件的表面。

在一些实施例中，所述蓝宝石光阵列器件自下而上依次包括蓝宝石基底、n-型GaN层、p-型GaN层、ITO层、SiO₂下绝缘层、金属电极层以及SiO₂上绝缘层。

在一些实施例中，所述蓝宝石光阵列器件的n-型GaN层与p-型GaN层形成多个光源；所述多个光源为所述神经光电极的多个刺激通道。

在一些实施例中，所述金属丝电极的一端固定于预设光源旁边。

在一些实施例中，所述金属丝电极采用多根旋转集成的组装方式；所述金属丝电极保持平直，为所述神经光电极的记录通道。

根据发明的另一个方面，提供了一种神经光电极的制备方法，所述方法包括：

采用MEMS工艺在蓝宝石基底上制备出蓝宝石光阵列；

对所述蓝宝石光阵列进行划片，得到独立的蓝宝石光阵列器件；

将所述蓝宝石光阵列器件封装在PCB板上，并将所述PCB板尾端焊接到插线板；

将金属丝电极通过紫外胶固定在所述蓝宝石光阵列器件表面；

将所述金属丝电极的尾端除去绝缘层，焊接到所述插线板上，得到神经光电极。

在一些实施例中，将所述蓝宝石光阵列器件封装在PCB板上，并将所述PCB板尾端焊接到插线板的步骤之前，所述方法还包括：

制作与所述蓝宝石光阵列器件对应的PCB板。

在一些实施例中，将所述金属丝电极通过紫外胶固定在所述蓝宝石光阵列器件的表面的步骤之前，所述方法还包括：

将所述金属丝电极采用多根旋转集成的方式进行组装并暴露所述金属丝电极的端点。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明提供的神经光电极及其制备方法具有以下有益效果：

1.本发明提供的神经光电极采用蓝宝石基底的光阵列器件与金属丝电极相结合的方式，将金属丝电极通过紫外胶贴附在蓝宝石光阵列器件中所需进行刺激的光源旁边，使得刺激通道和记录通道通过紫外胶在空间范围内隔离，有效的降低了电刺激噪声；

2.本发明提供的神经光电极，其金属丝电极的位置以及数量可以依据需求进行组装，具有较好的实用性；

3.本发明提供的神经光电极，具有多个光源，有利于对多个脑区进行刺激并记录，可以实现神经活动的高通量检测；

4.本发明提供的神经光电极的制备方法，将金属丝电极采用紫外胶固定到蓝宝石光阵列中所需进行刺激的光源旁边，达到了便于组装，高通量，抗噪声的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的神经光电极的实物图；

图2为本发明实施例提供的蓝宝石光阵列器件结构示意图；

图3为本发明实施例提供的蓝宝石光阵列器件的整体示意图；

图4为本发明实施例提供的神经光电极的阻抗响应图；

图5为本发明实施例提供的神经光电极的相位响应图；

图6为本发明实施例提供的神经光电极的噪声测试结果示意图；

图7为本发明实施例提供的神经光电极的制备方法流程图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

11-蓝宝石基底；12-n-型GaN层；13-p-型GaN层；14-ITO层；15-SiO₂下绝缘层；16-金属电极层；17-SiO₂上绝缘层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种神经光电极及其制备方法，可以实现有限降低电刺激噪声，较好的实用性以及对神经活动的高通量检测等有益效果。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例提供的一种神经光电极进行详细介绍，如图1所示，该神经光电级包括：

蓝宝石光阵列器件10、金属丝电极20以及紫外胶30；

所述金属丝电极20通过所述紫外胶30固定于所述蓝宝石光阵列器件10的表面。

其中，蓝宝石光阵列器件10的结构如图2和图3所示，自下而上依次包括蓝宝石基底11、n-型GaN层12、p-型GaN层13、ITO层14、SiO₂下绝缘层15、金属电极层16以及SiO₂上绝缘层17。

在本实施例中，蓝宝石光阵列器件10的n-型GaN层12与p-型GaN层13形成多个光源；多个光源为神经光电极的多个刺激通道。

本发明实施例提供的神经光电极，具有多个光源，有利于对多个脑区进行刺激并记录，可以实现神经活动的高通量检测。

在本实施例中，金属丝电极20的一端固定于预设光源旁边，并且金属丝电极20为多根旋转集成的组装方式，金属丝电极20需要保持平直，是神经光电极的记录通道。

本发明实施例提供的神经光电极采用蓝宝石基底的光阵列器件与金属丝电极相结合的方式，将金属丝电极通过紫外胶贴附在蓝宝石光阵列器件中所需光源旁边，使得刺激通道和记录通道通过紫外胶在空间范围内隔离，有效的降低了电刺激噪声；金属丝电极的位置以及数量可以依据需求进行组装，具有较好的实用性。

图4-图6分别示出了本发明实施例所提供的神经光电级的电学记录性测试结果。图4与图5分别示出了该神经光电级的阻抗-频率曲线以及相位-频率曲线，显示出该神经光电极的阻抗在1Hz～100kHz的频率范围内，电极的阻抗与频率的指数成近似线性关系，体现为纯电容特性。相位则稳定在-60°到-90°之间。图6为对该神经光电极的噪声测试结果示意图，显示出蓝宝石光阵列器件的本底噪声为41.1μV，在连上光源时引线带来部分噪声，其噪声为77.867μV。蓝宝石光阵列器件在交流驱动的情况下(发光频率为1Hz以及20Hz)，器件的噪声不受影响，证明本发明实施例所提供的神经光电极具备抗噪声特性。

根据本发明的另一个方面，提供了一种神经光电极的制备方法，如图7所示，该方法包括：

步骤S101，采用MEMS工艺在蓝宝石基底上制备出蓝宝石光阵列。

步骤S102，对蓝宝石光阵列进行划片，得到独立的蓝宝石光阵列器件。

优选的，可通过划片机对蓝宝石光阵列进行划片，得到独立的蓝宝石光阵列器件。

优选的，蓝宝石光阵列器件的长度为5.5mm，宽度为0.5mm，集成8个光源，多个光源间的间距为0.3um。

步骤S103，将蓝宝石光阵列器件封装在PCB板上，并将PCB板尾端接入插线板。

具体地，将蓝宝石光阵列器件通过蓝宝石器件左侧的上绝缘层17的缺口处(即暴露出的金属压焊点)焊接到PCB板上。

在本实施例中，在步骤S103之前，该方法还包括：制作与蓝宝石光阵列器件相对应的PCB板。

本实施例中，通过将封装有蓝宝石光阵列器件的PCB板接入插线板，实现PCB板对光源的调控，并且多个光源可独立控制，实现了不同脑区神经元活动的独立检测。

步骤S104，将金属丝电极通过紫外胶固定在蓝宝石光阵列器件的表面。

优选地，若一根金属丝电极直径过小，不便操作时，可以将一根金属丝电极进行对折几次，并进行旋转集成，并在对折处进行切割，便可得到多个记录点集成在一起的金属丝电极。

在本实施例中，在步骤S104中，需防止紫外胶覆盖金属丝电极端点，以免影响金属丝电极对神经活动的探测。

步骤S105，将金属丝电极的尾端除去绝缘层，并封装在插线板上。

本发明提供的神经光电极的制备方法，将所需的金属丝电极采用紫外胶固定到蓝宝石光阵列中所需的光源旁边，达到了便于组装，高通量，抗噪声的效果。

还需要说明的是，贯穿附图，在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

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，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

1.一种神经光电极，其特征在于，包括：

蓝宝石光阵列器件，具有多个光源，多个所述光源为神经光电极的多个刺激通道，对多个脑区进行刺激并记录；

金属丝电极，一端固定于所述光源旁边，所述金属丝电极采用多根旋转集成的组装方式，为所述神经光电极的记录通道；

紫外胶，将所述金属丝电极贴附在所述光源旁边，使得所述刺激通道和所述记录通道在空间范围内隔离，用于降低电刺激噪声；

其中，所述金属丝电极的端点为记录点，多根所述金属丝电极的端点暴露在所述紫外胶之外，多根所述金属丝电极的端点集成在一起。

2.根据权利要求1所述的神经光电极，其特征在于，所述蓝宝石光阵列器件自下而上依次包括蓝宝石基底、n-型GaN层、p-型GaN层、ITO层、SiO₂下绝缘层、金属电极层以及SiO₂上绝缘层。

3.根据权利要求2所述的神经光电极，其特征在于，所述蓝宝石光阵列器件的n-型GaN层与p-型GaN层形成多个光源；所述多个光源为所述神经光电极的多个刺激通道。

4.根据权利要求1所述的神经光电极，其特征在于，所述金属丝电极的一端固定于预设光源旁边。

5.根据权利要求1所述的神经光电极，其特征在于，所述金属丝电极保持平直，为所述神经光电极的记录通道。

6.一种神经光电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

采用MEMS工艺在蓝宝石基底上制备出蓝宝石光阵列；

将所述金属丝电极的尾端除去绝缘层，焊接到所述插线板上；

将所述金属丝电极采用多根旋转集成的方式进行组装。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述蓝宝石光阵列器件封装在PCB板上，并将所述PCB板尾端焊接到插线板的步骤之前，所述方法还包括：

制作与所述蓝宝石光阵列器件对应的PCB板。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述金属丝电极通过紫外胶固定在所述蓝宝石光阵列器件的表面的步骤之前，所述方法还包括：

暴露所述金属丝电极的端点。