CN110367978B - 一种三维屈曲结构柔性神经电极及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维屈曲结构柔性神经电极及其制备工艺，包括弹性基底、粘附层、聚酰亚胺基底层、金属电极层和聚酰亚胺封装层；聚酰亚胺基底层的一表面上设置所述金属电极层；金属电极层上方设置聚酰亚胺封装层，由聚酰亚胺基底层、金属电极层以及聚酰亚胺封装层构成二维平面结构电极；粘附层设置于聚酰亚胺基底层的另一表面上，粘附层包括Ti层和SiO2层；Ti层设置在聚酰亚胺基底层的表面上，SiO2层设置于Ti层上，SiO2层与弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使二维平面结构电极与弹性基底表面粘合在一起，通过弹性基底发生形变，使二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。

Description

一种三维屈曲结构柔性神经电极及其制备工艺
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域的微电极，具体地，涉及一种三维屈曲结构柔性神经电极及其制备工艺。
背景技术
脑疾病已成为我国乃至全世界健康领域所面临的最大挑战之一，绝大多数脑疾病如帕金森症，阿尔茨海默病等缺乏清晰的机理研究和有效治疗方法，因此脑疾病新技术和新治疗方案的研发迫在眉睫。神经元的兴奋和传导会使大脑皮层具有持续的节律性电位变化，即皮层自发脑电活动，可以通过电极和仪器来记录这类生物电活动的图形。
通过电生理记录可以获得神经环路的功能性连接和生理功能之间的关系。皮层脑电极(ECoG)的侵入性介于刺入式密歇根电极(刚性硅针电极)或阵列式犹他电极和颅外EEG电极之间，至今为止，脑皮层电信号在解码癫痫脑区和确定手术目标区域上仍是重要工具。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，传统大尺寸ECoG电极正朝着小尺寸，高密度以及多功能方向演变，可以在很小区域内达到毫米甚至亚毫米级别的分辨率，通过大脑皮层表面获取如运动和感觉等更加丰富和精确的脑活动信息。
植入式柔性ECoG电极其中一个重要的发展方向为提高柔性电极与所贴合沟壑崎岖的大脑皮层表面之间的保形贴附，保证全部电极位点能够采集到稳定的脑电信号，例如采用超薄聚合物基底，采用超弹性低模量材料基底，采用网状或指状结构设计，以及采用电极点凸起结构等等。然而目前的方法在不同程度上存在一定问题，基底厚度减薄或网状镂空结构设计都会导致电极机械强度下降，难以承受作用力；超弹性低模量材料MEMS加工兼容性差，难以获得较高的微加工精度；电极点凸起目前多采用在金属下层垫高聚合物的方式，高度固定难以适应复杂曲面变形。
经对现有技术的检索发现，近几年来，力学引导的三维屈曲结构在微结构和固体力学方面得到了广泛关注，但是报道的三维屈曲结构的应用仍十分有限，例如细胞支架，压电陶瓷微执行器，微型天线等。Yan Z,Han M等人在Proceedings of the NationalAcademy of Sciences,2017,114(45):E9455-E9464上撰文“Three-dimensionalmesostructures as high-temperature growth templates,electronic cellularscaffolds,and self-propelled microrobots”，通过预拉伸硅橡胶弹性基底，将背面局部沉积有钛/二氧化硅，表面暴露有8个电极点的PI器件贴附并恢复弹性基底原长，沉积有Ti/SiO2的区域和硅橡胶弹性基底通过缩合反应形成强化学键得以牢固粘结，器件屈曲形成三维细胞支架，可用于培养例如大鼠背根神经节细胞等。其中Ti/SiO2是在器件释放后翻转背面朝上，再通过图形化硬掩膜对准需要沉积的键合点，覆盖在器件上完成的。这对于微米级别的小尺寸图形化沉积Ti/SiO2，不仅对准困难，而且器件释放后需要翻转，难以一次性完成多个器件的精确对准、沉积，因此工艺上存在不足。
Xu S,Yan Z等人在Science,2015,347(6218):154-159上撰文“Assembly ofmicro/nanomaterials into complex,three-dimensional architectures bycompressive buckling”，提出了多种不同材料制备获得的力学引导形成的三维屈曲结构，其中一种基于PI/金属/PI的三明治结构，而SiO2是在制作三明治结构之前先完成的沉积、光刻掩膜和反应离子刻蚀图形化，不仅工艺复杂，MEMS加工成本也升高，而且SiO2上表面需要和PI接触，通过实验发现，器件容易从弹性基底上脱粘；即使在沉积SiO2时，同时在其上表面再沉积一层Ti，也会因为完成沉积取出后的操作需要接触空气，金属Ti表面发生氧化，也会影响和PI之间的结合力。
综上所述，目前报道的三维屈曲结构很少有应用在神经微电极上，同时二氧化硅键合点的图形化工艺步骤尚有不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种三维屈曲结构柔性神经电极及其制备工艺。
根据本发明第一方面，提供了一种三维屈曲结构柔性神经电极，所述柔性神经电极包括弹性基底、粘附层、聚酰亚胺基底层、金属电极层和聚酰亚胺封装层；其中，
所述聚酰亚胺基底层的一表面上设置所述金属电极层；所述金属电极层上方设置所述聚酰亚胺封装层；由所述聚酰亚胺基底层、所述金属电极层以及所述聚酰亚胺封装层构成二维平面结构电极；
所述粘附层设置于所述聚酰亚胺基底层的另一表面上，所述粘附层包括Ti层和SiO2层，所述Ti层设置在所述聚酰亚胺基底层的表面上，所述SiO2层设置于所述Ti层上，所述SiO2层与所述弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述二维平面结构电极与所述弹性基底表面粘合在一起，通过所述弹性基底发生形变，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
优选地，所述金属电极层包括两层种子层和一层金属层，所述种子层为铬层，所述金属层为金层，所述金属层位于两层所述种子层之间，两层所述种子层的厚度分别为10-50nm，所述金属电极层的厚度为100～500nm。
优选地，所述粘附层中，所述Ti层的厚度为2～20nm，所述SiO2层的厚度为20～200nm；所述聚酰亚胺基底层的厚度为2～15μm；所述聚酰亚胺封装层的厚度为2～15μm；所述弹性基底的材料采用Dragonskin系列铂催化硅橡胶、Ecoflex弹性硅橡胶。
本发明第二个方面，提供了一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，包括：
由上层到下层制备二维平面结构电极：先图形化沉积聚酰亚胺封装层，再在所述聚酰亚胺封装层上制备图形化金属电极层，然后在所述图形化金属电极层上方沉积聚酰亚胺基底层，形成二维平面结构电极；
之后在所述聚酰亚胺基底层上设置一层掩膜，在所述掩膜上依次设置Ti层和SiO2层，通过剥离工艺获得粘附层，并用水溶性胶带将所述二维平面结构电极粘起来；
预拉伸弹性基底，再将所述二维平面结构电极转印贴附在已发生形变的所述弹性基底表面；
最后去除所述水溶性胶带，释放所述弹性基底，使所述弹性基底恢复原状，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构。
优选地，按照以下步骤执行：
第1步：在清洗后的硅片表面热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的金属释放层；
第2步：在所述金属释放层上旋涂并光刻图形化第一层聚酰亚胺，作为电极的封装层；
第3步：在所述封装层的表面先溅射一层铬作为种子层、再溅射一层金作为金属层，之后溅射一层铬作为种子层，形成金属电极层；然后再在所述金属电极层的上方旋涂光刻胶，光刻图形化，再通过离子束刻蚀得到图形化金属电极层；
第4步：在所述图形化金属电极层上方旋涂并光刻图形化第二层聚酰亚胺，作为电极的基底层，形成所述二维平面结构电极；
第5步：在所述图形化第二层聚酰亚胺上旋涂光刻胶并光刻图形化作为掩膜；
第6步：在所述掩膜上依次热蒸发沉积或磁控溅射所述Ti层和所述SiO2层，其中所述Ti层作为种子层，所述SiO2层作为粘附层；
第7步：在丙酮中通过剥离工艺完成所述粘附层的图形化，腐蚀所述金属释放层完成电极释放；
第8步：湿法刻蚀去除暴露的金属电极点表面的一层铬，保证金暴露出来；
第9步：将所述二维平面结构电极带有所述粘附层的一面朝下，贴附在表面平整的块状聚二甲基硅氧烷上，并用水溶性胶带将整个二维平面结构电极粘起来；
第10步：预拉伸弹性基底，并预拉伸后的弹性基底进行紫外线照射，之后将所述二维平面结构电极的所述粘附层一面转印贴附在所述弹性基底表面，通过烘箱加热；
第11步：加热完成后，在热水中溶解去除所述水溶性胶带；
第12步：释放所述弹性基底至原长，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
优选地，第1步中，所述金属释放层的金属材料采用铝或铜，所述金属释放层的厚度为200～1000nm。
优选地，第2步中，所述第一层聚酰亚胺的厚度为2～15μm；
第4步中，所述第二层聚酰亚胺的厚度为2～15μm。
优选地，第3步中：每层所述种子层的厚度为10～50nm；
所述金属层的厚度为100～500nm。
优选地，第6步中：所述钛层作为种子层，用于增强所述SiO2层和所述聚酰亚胺基底层的结合力，所述钛层的厚度为2～20nm；
所述二氧化硅层作为粘附层，厚度为20～200nm。
进一步，第8步中：湿法刻蚀Cr采用浓度为5％～20％的铁氰化钾和氢氧化钠混合溶液，控制湿法刻蚀时间为3～15秒。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：
本发明上述结构的所述柔性神经电极能够在基底自重作用下与复杂曲面接触发生形变，实现弹性接触，增强保形贴附性，保证柔性神经电极能够稳定可靠记录到脑皮层电信号(ECoG)。
本发明上述结构的所述柔性神经电极，其三维屈曲结构可以通过调节结构强度，具备翻转后在接触挤压工况下发挥效用的能力。
本发明上述制备工艺中MEMS工艺难度和加工成本低，采用从上层到下层的制备方式，保证了电极的金属电极点可以完全暴露在三维屈曲结构的顶面；通过Lift-off工艺可以实现粘附层的高精度对准，并且可以同时在硅上完成大量器件的同步粘附层制备，而不用在释放后翻转电极，单独一个个用硬掩膜对准。
本发明中柔性神经电极为脑皮层电信号采集和脑科学研究提供了一种新工具。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的三维屈曲结构柔性神经电极的形成过程示意图；
图2为本发明一实施例的二维平面结构柔性神经电极的结构示意图；
图3为本发明一实施例的二维平面结构柔性神经电极单元结构和参数示意图；
图4中(a)-(l)为本发明一实施例的三维屈曲结构柔性神经电极加工工艺流程图；
图5为本发明一实施例的Lift-off后粘附层轮廓示意图；
图6a为本发明一实施例的释放双向预拉伸应变前后柔性神经电极过程示意图；
图6b为图6a中变后柔性神经电极的俯视图；
图6c为图6a中变后柔性神经电极的侧视图；
图7为本发明一实施例的4×4三维屈曲结构电极的仿真结果图；
图8为本发明一实施例的三维屈曲结构电极与大脑皮层弹性接触挤压示意图；
图9为本发明一实施例的另一种柔性神经电极单元的二维平面结构和三维屈曲结构示意图；
图中：粘附层1、聚酰亚胺基底层2、金属电极层3、聚酰亚胺封装层4。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1-图8，为一种三维屈曲结构柔性神经电极的优选实施例示意。参照图1所示，图中包括弹性基底、粘附层1、聚酰亚胺基底层2、金属电极层3和聚酰亚胺封装层4；其中，聚酰亚胺基底层2的一表面上设置金属电极层3；金属电极层3上方设置聚酰亚胺封装层4，由聚酰亚胺基底层2、金属电极层3以及聚酰亚胺封装层4构成二维平面结构电极；粘附层1设置于聚酰亚胺基底层2的另一表面上，粘附层1包括Ti层和SiO2层，Ti层设置在聚酰亚胺基底层2的表面上，SiO2层设置于Ti层上，SiO2层与弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使二维平面结构电极与弹性基底表面粘合在一起，通过弹性基底发生形变，使二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
在其他优选实施例中，金属电极层3包括两层种子层和一层金属层，种子层为铬层，金属层为金层，金属层位于两层种子层之间。通过设置两层种子层Cr，可保证金属层与聚酰亚胺基底层2、聚酰亚胺封装层4之间均具有良好结合力。进一步的，两层种子层的厚度可以为10-50nm，金属电极层3的厚度可以为100～500nm。
在其他优选实施例中，粘附层1中，Ti层的厚度可以为2～20nm，SiO2层的厚度为可以20～200nm。聚酰亚胺基底层2的厚度可以为2～15μm。聚酰亚胺封装层4的厚度为可以2～15μm。
基于上述实施例一种三维屈曲结构柔性神经电极的结构特征，提供一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺的实施例，制备工艺包括：由上层到下层制备二维平面结构电极，先图形化沉积聚酰亚胺封装层4，再在聚酰亚胺封装层4上制备图形化金属电极层3，之后在图形化金属电极层3上沉积聚酰亚胺基底层2，形成二维平面结构电极；之后在聚酰亚胺基底层2上设置一层掩膜，在掩膜上依次设置Ti层和SiO2层，在聚酰亚胺基底层2沉积并Lift-off获得粘附层1，并用水溶性胶带将二维平面结构电极粘起来；预拉伸弹性基底，之后将二维平面结构电极转印贴附在已发生形变的弹性基底表面；再去除水溶性胶带，释放弹性基底，使弹性基底恢复原状，使二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构柔性神经电极。
在一具体实施例中，参照图2所示，为三维屈曲结构柔性神经电极的形成过程示意图，柔性神经电极在硅片上沉积粘附层1之后，先通过Lift-off在丙酮中超声完成图形化，并在稀盐酸溶液中完成Al释放层的腐蚀和器件的释放；接着浸泡在低浓度(浓度为5％)铁氰化钾和氢氧化钠混合溶液，完成金属电极点暴露区域金属Cr的去除；将旋涂固化厚度为300μm的弹性基底——Ecoflex弹性硅橡胶，沿X、Y两个方向进行等量预拉伸，同时将二维平面结构柔性神经电极贴附上去；最后恢复弹性基底原长，粘附层1和Ecoflex接触区域保持粘接状态，其余区域发生面外变形，形成三维屈曲结构。
在其他优选实施例中：一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，按照以下步骤执行：
第1步：在清洗后的硅片表面热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的金属释放层；金属释放层的金属材料可以采用铝、铜等金属，金属释放层的厚度为200～1000nm。
第2步：在金属释放层上旋涂并光刻图形化第一层聚酰亚胺，作为电极的封装层；在其他优选实施例中，第一层聚酰亚胺最终固化成膜厚度为2～15μm。
第3步：在封装层的表面先溅射铬作为种子层、再溅射金作为金属层，之后溅射铬作为种子层，制成金属电极层3；然后再在金属电极层3的上方旋涂光刻胶，光刻图形化，再通过离子束刻蚀得到图形化金属电极层3；两层铬作为种子层，提高金属层与上下两层第一层聚酰亚胺和第二层聚酰亚胺之间结合力，每层铬厚度可以为10～50nm；金作为金属层，其厚度可以为100～500nm。
第4步：在图形化金属电极层3上旋涂并光刻图形化第二层聚酰亚胺，作为电极的基底层，形成二维平面结构电极；在其他优选实施例中，第二层聚酰亚胺最终固化成膜厚度为2～15μm。
第5步：在图形化第二层聚酰亚胺上旋涂光刻胶并光刻图形化作为掩膜；
第6步：在掩膜上采用热蒸发沉积或磁控溅射一层Ti，在Ti层上再采用热蒸发沉积或磁控溅射一层SiO2，形成粘附层1；其中钛作为种子层，二氧化硅作为粘附层1。在其他优选实施例中，钛层的厚度可以为3～10nm；二氧化硅层的厚度可以为30～100nm。
第7步：在丙酮中Lift-off完成粘附层1图形化，腐蚀金属释放层完成电极释放。
第8步：湿法刻蚀去除暴露的金属电极点表面的一层铬，保证金暴露出来。在其他优选实施例中，湿法刻蚀Cr采用低浓度(浓度为5％～20％)的铁氰化钾和氢氧化钠混合溶液，控制湿法刻蚀时间为3～15秒。
第9步：将二维平面结构电极带有粘附层1的一面朝下，贴附在表面平整的块状PDMS上，并用水溶性胶带将整个二维平面结构电极粘起来。
第10步：预拉伸弹性基底，并预拉伸后的弹性基底进行紫外线照射，之后将二维平面结构电极的粘附层1一面转印贴附在弹性基底表面，通过烘箱加热。
第11步：加热完成后，在热水中溶解去除水溶性胶带。
第12步：释放弹性基底至原长，使二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
上述制备工艺与传统的制作工艺相反，采用了先制作聚酰亚胺封装层4，即露出记录电极点孔位，再沉积金属电极层3，最后再制作聚酰亚胺基底层2，这样反过来加工的好处是，将聚酰亚胺基底层2暴露在上表面，可以便捷得沉积粘附层1，实现高精度图形化和牢靠粘接。在上述工艺中，金属层沉积过程增加一层Cr，保证了和上下两层第一层聚酰亚胺和第二层聚酰亚胺之间的结合力。
柔性神经电极是通过力学引导形成的三维屈曲结构骨架，保证金属电极点和大脑皮层在器件弹性基底重力作用下实现挤压接触，类似弹簧的挤压变形，可以有效保证金属电极点与大脑皮层表面之间的接触效果。
参照图1所示，二维平面结构柔性神经电极采用结构简单的四条臂十字形结构，包括粘附层1、聚酰亚胺基底层2、金属电极层3和聚酰亚胺封装层4四部分，其中，中间圆形区域为金属电极点暴露的位置，金属电极层3沿四条臂有延伸，可以更好地保持屈曲后四条臂变形的一致性；粘附层1在四条臂的末端呈圆形对称分布，以便于平衡地形成三维屈曲结构。
参照图3所示，为二维平面结构柔性神经电极结构和参数示意图，电极单元采用4条支撑臂，设计参数包括：金属电极点直径D1，圆形支撑台直径D2，粘附层1键合点直径D3，支撑臂宽W，金属电极点圆心到键合点圆心距离L以及圆形支撑台与支撑臂之间的圆角半径R。
在其他实施例中，将二维平面结构柔性神经电极单元的设计参数进行调整。例如，可以增大支撑臂宽W，减小金属电极点圆心到键合点圆心距离L，或增大圆形支撑台与支撑臂之间的圆角半径R，可以提高三维屈曲结构刚度，弹性接触挤压时可承受更大的压力，更容易在使用后恢复原状。相反地，也可以通过增大金属电极点圆心到键合点圆心距离L，来调节相邻记录电极点之间的相对距离，避免三维屈曲结构在随弹性基底变形时可能发生的相互接触干扰，以及分布过于集中可能导致的难以随大脑皮层形状进行跟随变形。
参照图4所示，为三维屈曲结构柔性神经电极加工工艺流程图，制备流程步骤包括：
(1)如图4中(a)所示，在500μm厚硅片上热蒸发300nm厚的铝牺牲层。
(2)如图4中(b)所示，旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的聚酰亚胺封装层4厚度为5μm。
(3)如图4中(c)所示，在聚酰亚胺封装层4上依次溅射金属Cr、Au、Cr，厚度分别为30nm、200nm、30nm，之后在Cr层上旋涂3μm正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘得到图形化掩膜，接着通过Ar离子束刻蚀并在丙酮溶液中浸泡去胶，得到图形化金属电极层3。
(4)如图4中(d)所示，在图形化金属电极层3上旋涂第二层光敏型聚酰亚胺Durimide7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的聚酰亚胺基底层2，厚度为5μm。
(5)如图4中(e)所示，在图形化的聚酰亚胺基底层2上旋涂5μm正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘得到图形化掩膜。
(6)如图4中(f)所示，在图形化掩膜上通过依次磁控溅射一层Ti层和一层SiO2层，形成粘附层1，其中，Ti层的厚度为10nm，SiO2层的厚度为50nm。
(7)如图4中(g)所示，丙酮中浸泡，并通过超声Lift-off，完成粘附层1图形化，随后浸泡在浓度为25％的稀盐酸中1小时，完成金属释放层的腐蚀和电极释放；
(8)如图4中(h)所示，浸泡在浓度为20％铁氰化钾和氢氧化钠混合溶液，湿法刻蚀去除暴露的金属电极点表面的一层Cr，湿法刻蚀时间约为5秒，保证Au暴露出来；
(9)如图4中(i)所示，将二维平面结构电极带有粘附层1的一面朝下，在表面平整的块状PDMS上铺展，并用PVA胶带将整个二维平面结构电极粘起来；
(10)如图4中(j)所示，预拉伸Ecoflex弹性硅橡胶弹性基底，拉伸应变量为30％，紫外线照射10分钟，之后将二维平面结构电极转印贴附在Ecoflex弹性硅橡胶弹性基底，施加一定压力，并通过烘箱80度加热10分钟；
(11)如图4中(k)所示，保持器件在拉伸状态下，倾倒60度热水浸没器件并搅动至PVA胶带彻底溶解，去离子水冲洗至PVA胶带无残留；
(12)如图4中(l)所示，释放弹性基底至原长，二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
参照图5所示，为Lift-off后粘附层1轮廓显微照片，可以清楚看到经过Lift-off工艺后，圆形键合点表面留下了清晰的Ti和SiO2，并且对准精度高，边缘轮廓规整。
参照图6a所示，为释放双向预拉伸应变前后柔性神经电极照片，本实施例中设计了2×2电极点阵列，用来验证三维屈曲后柔性神经电极的成形效果。弹性基底Ecoflex预拉伸量为30％,双向同时恢复原长，可以看到二维平面结构变形成为三维屈曲结构。
参照图6b、图6c所示，为三维屈曲结构电极的俯视图和侧视图，可以看到屈曲后各个键合点没有发生脱粘，并且记录电极点拱起高度基本一致。
参照图7所示，为4×4三维屈曲结构电极的仿真结果图，在Abaqus软件中进行了仿真，首先双向预拉伸弹性基底，预拉伸应变为30％，之后选取二维平面结构电极上所有键合点区域和弹性基底保持粘合不分离，最后恢复弹性基底到原长，二维平面结构电极变形为三维屈曲结构电极。
参照图8所示，为三维屈曲结构电极与大脑皮层弹性接触挤压示意图，三维屈曲结构对器件工作效果有直接影响，屈曲后的柔性神经电极在急性动物实验中需要倒置使用，保证记录电极点和大脑皮层在器件弹性基底重力作用下实现挤压接触，由挤压前的初始高度h0到挤压后的变形高度h1，类似弹簧的挤压变形，可以有效保证记录电极点与存在沟回的大脑皮层表面之间的接触效果。
在另一具体实施例中，三维屈曲结构柔性神经电极的相关制备步骤与上述实施例中相同，只是改变柔性神经电极处于二维平面时的结构。参照图9所示，为另一种柔性神经电极单元的二维平面结构和三维屈曲结构示意图。在最简单的四条臂十字形结构基础上，扩张了金属电极点所在圆形区域的面积，覆盖了四条臂，同时沿圆形区域的周向增加狭缝。从三维屈曲结构示意图中可以看出，将四条起到支撑作用的臂经过变化后，可以增强整个三维屈曲结构柔性神经电极的稳定性，同时，圆形区域的狭缝可以起到应力释放的作用，有利于保持金属电极点所在中心位置的相对平整，同时在屈曲后减小对键合点的作用力，防止和弹性基底发生脱粘。
在另一具体实施例中，三维屈曲结构柔性神经电极的相关制备步骤与上述实施例中相同，只是改变弹性基底材料和预拉伸形变量。
改变弹性基底材料，采用杨氏模量相对较高的Dragonskin系列铂催化硅橡胶，模量为Ecoflex系列的2.7倍，相对更硬的基底在较大预拉伸量恢复原长后，更容易保持弹性基底表面产生较小的变形量，阵列式记录电极点高度相对更容易保持一致。
改变预拉伸形变量，可以调节三维屈曲结构刚度，弹性基底预拉伸形变量越大，形成的三维屈曲结构的初始高度h0越大，结构刚度越低，更容易发生支撑臂塑性变形，难以恢复原状；反之，如果采用较小的预拉伸变形量，形成的三维屈曲结构的初始高度h0越小，结构刚度越高。
柔性神经电极不仅可以应用于脑机接口微电极器件，也可以用于制备需要局部暴露金属位点的微型传感器结构，如三维温度传感器、三维应变传感器，三维细胞支架等，具有良好的可扩展性和应用价值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种三维屈曲结构柔性神经电极，其特征在于，包括：弹性基底、粘附层、聚酰亚胺基底层、金属电极层和聚酰亚胺封装层；其中，
所述聚酰亚胺基底层的一表面上设置所述金属电极层；所述金属电极层上方设置所述聚酰亚胺封装层；所述聚酰亚胺封装层开设有用以露出金属电极点的孔；由所述聚酰亚胺基底层、所述金属电极层以及所述聚酰亚胺封装层构成二维平面结构电极；
所述粘附层设置于所述聚酰亚胺基底层的另一表面上，所述粘附层包括Ti层和SiO2层，所述Ti层设置在所述聚酰亚胺基底层的表面上，所述SiO2层设置于所述Ti层上，所述SiO2层与所述弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述二维平面结构电极与所述弹性基底表面粘合在一起，通过所述弹性基底发生形变，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构柔性神经电极，从而使所述金属电极点向上凸起，保证所述金属电极点与大脑皮层在所述弹性基底重力作用下实现挤压接触。
2.根据权利要求1所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极，其特征在于，所述金属电极层包括两层种子层和一层金属层，所述种子层为铬层，所述金属层为金层，所述金属层位于两层所述种子层之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
所述粘附层中，所述Ti层的厚度为2～20nm，所述SiO2层的厚度为20～200nm；
所述聚酰亚胺基底层的厚度为2～15μm；
所述聚酰亚胺封装层的厚度为2～15μm；
所述弹性基底的材料采用Dragonskin系列铂催化硅橡胶、Ecoflex弹性硅橡胶。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，包括：
由上层到下层制备二维平面结构电极：先图形化沉积聚酰亚胺封装层，再在所述聚酰亚胺封装层上制备图形化金属电极层，然后在所述图形化金属电极层上方沉积聚酰亚胺基底层，形成二维平面结构电极；
之后在所述聚酰亚胺基底层上设置一层掩膜，在所述掩膜上依次设置Ti层和SiO2层，通过剥离工艺获得粘附层，并用水溶性胶带将所述二维平面结构电极粘起来；
预拉伸弹性基底，再将所述二维平面结构电极转印贴附在已发生形变的所述弹性基底表面；
最后去除所述水溶性胶带，释放所述弹性基底，使所述弹性基底恢复原状，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构柔性神经电极。
5.根据权利要求4所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，按照以下步骤执行：
第1步：在清洗后的硅片表面热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的金属释放层；
第2步：在所述金属释放层上旋涂并光刻图形化第一层聚酰亚胺，作为电极的聚酰亚胺封装层；
第3步：在所述聚酰亚胺封装层的表面先溅射一层铬作为种子层、再溅射一层金作为金属层，之后溅射一层铬作为种子层，形成金属电极层；然后再在所述金属电极层的上方旋涂光刻胶，光刻图形化，再通过离子束刻蚀得到图形化金属电极层；
第4步：在所述图形化金属电极层上方旋涂并光刻图形化第二层聚酰亚胺，作为电极的聚酰亚胺基底层，形成所述二维平面结构电极；
第5步：在所述图形化第二层聚酰亚胺上旋涂光刻胶并光刻图形化作为掩膜；
第6步：在所述掩膜上依次热蒸发沉积或磁控溅射所述Ti层和所述SiO2层，其中所述Ti层作为种子层，所述SiO2层作为粘附层；
第7步：在丙酮中通过剥离工艺完成所述粘附层的图形化，腐蚀所述金属释放层完成电极释放；
第8步：湿法刻蚀去除暴露的金属电极点表面的一层铬，保证金暴露出来；
第9步：将所述二维平面结构电极带有所述粘附层的一面朝下，贴附在表面平整的块状聚二甲基硅氧烷上，并用水溶性胶带将整个二维平面结构电极粘起来；
第10步：预拉所述伸弹性基底，并预拉伸后的所述弹性基底进行紫外线照射，之后将所述二维平面结构电极的所述粘附层一面转印贴附在所述弹性基底表面，通过烘箱加热；
第11步：加热完成后，在热水中溶解去除所述水溶性胶带；
第12步：释放所述弹性基底至原长，使所述二维平面结构电极在挤压作用下形成三维屈曲结构电极。
6.根据权利要求5所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，第1步中，所述金属释放层的金属材料采用铝或铜，所述金属释放层的厚度为200～1000nm。
7.根据权利要求5所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，第2步中，所述第一层聚酰亚胺的厚度为2～15μm；
第4步中，所述第二层聚酰亚胺的厚度为2～15μm。
8.根据权利要求5所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，第3步中：每层所述种子层的厚度为10～50nm；
所述金属层的厚度为100～500nm。
9.根据权利要求5所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，第6步中：所述Ti层作为种子层，用于增强所述SiO2层和所述聚酰亚胺基底层的结合力，所述Ti层的厚度为2～20nm；
所述SiO2层作为粘附层，厚度为20～200nm。
10.根据权利要求5所述的一种三维屈曲结构柔性神经电极的制备工艺，其特征在于，第8步中：湿法刻蚀Cr采用浓度为5％～20％铁氰化钾和氢氧化钠混合溶液，控制湿法刻蚀时间为3～15秒。
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