CN111613700A - 一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极及其制备方法。现有光电极中的LED和记录电极集成在同一层，LED供电线可能会引入电磁辐射对记录信号产生干扰。本发明一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，包括依次层叠设置的记录电极层、电磁屏蔽层和LED光刺激层。电磁屏蔽层内的金属层接地；通过静电屏蔽避免LED光刺激层内的控制信号干扰记录电极层内传输的信号。本发明通过单片集成LED的方法克服了混合封装空间分辨率有限的问题，将LED和记录电极分为两个功能层，并在之间加入一层金属屏蔽层，有效的降低了LED供电线对与之相邻的记录通道的影响，即电磁干扰，从而提高了信号的质量。
Description
技术领域
本发明属于脑机接口领域的生物传感器的制备技术领域，具体地，涉及一种用于神经记录和刺激的神经光电极的微加工制备方法，是通过在硅衬底上单片集成InGaN LED并结合记录电极层来实现制备的。
背景技术
在过去的几十年里，大脑的电刺激使我们对大脑的功能有了更深的认识，为了进一步推动神经科学的发展，并研究群体神经元在复杂网络中的相互作用，需要对特定类型的单个神经元进行选择性激活和抑制，而光遗传学通过将光敏蛋白引入到特定的细胞类型中，使神经回路分析发生了革命性的变化，极大的提高了刺激的时空分辨率。然而基于微型LED技术的光探针，其光传输和电信号记录的可靠性阻碍了神经光学探针在神经科学中的应用。这主要是因为给LED供电的导线将会引入电磁干扰，而由电磁干扰诱发的光电伪迹可能会模糊或扭曲记录通道的神经信号，从而降低了记录信号的质量。为了解决这个问题，我们在LED和记录电极之间加入了一层电磁屏蔽层，用来提高信号的质量和电极的稳定性。
经过对现有技术文献的检索发现，美国密歇根大学Wu Fan课题组在论文“Monolithically Integrated mLEDs on Silicon Neural Probes forHigh-ResolutionOptogenetic Studies in Behaving Animals”中采用精细的硅微加工技术在硅衬底上制作InGaN LED来代替传统的把外部光源耦合光波导的方法，通过将光源直接集成在刺激点，提高了刺激的空间分辨率，也避免了因为笨重的光纤而影响到测量小鼠的自由行为。上海交通大学的刘景全课题组在论文“A Polyimide-Based Flexible Optoelectrodes forLow-Noise Neural Recording”中研制了一个基于聚酰亚胺的柔性光电极，采用PI(聚酰亚胺)这种柔性材料作为衬底，并将记录电极和LED分成上下两部分，在两者中间加入金属屏蔽层，这减小了组织损伤，并通过去除了电磁辐射的影响从而减少了噪声提高了信号的质量。弗莱堡大学Suleman Ayub和Oliver Paul等人在论文“Compact optical neuralprobes with up to 20integrated thin-filmμLEDs applied in acute optogeneticstudies”中制备了一个紧凑型光电极，该光电极探针上集成了高达20个薄膜LED，在该光电极中利用了双金属层拓扑结构有效的屏蔽了电磁干扰，减少了刺激伪影。然而以上三种光电极结构仍然存在一些不足，比如把LED和记录电极集成在同一层，LED供电线可能会引入电磁辐射对记录信号产生干扰，聚酰亚胺的柔性不利于植入后探针的位置微调。
发明内容
本发明的目的在于提供针对现有技术中的缺陷，使用GaN-On-Silicon作为衬底，硅的刚性有利于探针植入到脑内，在GaN-On-Silicon衬底上单片集成LED和记录电极来实现神经记录和光刺激，并在LED和记录电极之间加入了一层金属屏蔽层，避免了因LED阴极附近的电压不为0，而导致在LED开启和关闭瞬间产生的电磁辐射，耦合到附近的记录通道产生干扰信号。。
本发明一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，包括依次层叠设置的记录电极层、电磁屏蔽层和LED光刺激层。电磁屏蔽层内的金属层接地；通过静电屏蔽避免LED光刺激层内的控制信号干扰记录电极层内传输的信号。
作为优选，该用于光遗传刺激和电生理记录的光电极分为电极基部和探针。探针的尖端设置有暴露的记录电极点和微LED光刺激位点。记录电极点位于记录电极层；微LED光刺激位点位于LED光刺激层。LED光刺激层的材料为SiO2。LED光刺激层上设置有供电导线；电极基部设置有多个焊盘。记录电极点、微LED光刺激位点分别通过记录电极层内的信号导线、LED光刺激层内的供电导线与电极基部上对应的焊盘相连。
作为优选，所述的记录电极层包括下绝缘层、导电层和上绝缘层。导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。上绝缘层及下绝缘层的材料采用氧化硅(SiO2)。导电层采用为Cr/Au双层膜；Cr层的厚度为20纳米；Au层的厚度为200纳米。导电层形成信号导线。
作为优选，所述的微LED光刺激位点采用原位集成的硅基氮化镓微LED。
作为优选，所示电磁屏蔽层的主体材料为SiO2。电磁屏蔽层内的金属层的材质为Cu。电磁屏蔽层内的金属层接地。
该用于光遗传刺激和电生理记录的LED光电极的制备方法的具体步骤如下：
S1：在衬底上设置LED光刺激层，并通过微加工技术实现微LED光刺激位点的图形化；微LED光刺激位点集成多个，实现多通道光刺激功能。
S2：在LED光刺激层上沉积出一层带有金属层的电磁屏蔽层。
S3：在电磁屏蔽层上通过微加工技术实现记录电极层的图形化，在记录电极层中集成多个记录通道。
S4：释放探针。
作为优选，步骤S1的具体过程如下：
1-1.将衬底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。
1-2.在衬底上外延生长GaN/InGaN多量子陷的LED光刺激层。
1-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
1-4.使用离子束刻蚀将光刻胶上的图形转移到LED光刺激层，形成LED的台面结构。
1-5.通过PECVD沉积一层500nm厚的SiO2用来钝化LED光刺激层。
1-6.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
1-7.通过RIE刻蚀SiO2，形成LED台面上的p-GaN和底层上n-GaN的接触窗口。
1-8.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
1-9.在LED光刺激层上蒸发出Ti/Al/Ti/Au层，Ti/Al/Ti/Au层的厚度分别为50/250/50/100nm。
1-10.把探针放入剥离液中，剥离光刻胶上的Ti/Al/Ti/Au，从而形成LED光刺激层的供电导线。
作为优选，步骤1-1中，衬底的材料为SOI硅片或双面抛光硅片。
作为优选，步骤S2的具体过程如下：
2-1.在LED光刺激层上通过PECVD沉积一层SiO2。
2-2.溅射材质为Cu的金属层。
2-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
2-4.通过湿法刻蚀将光刻胶上的图形转移到金属层上，形成电磁屏蔽层。
作为优选，步骤S3的具体过程如下：
3-1.在电磁屏蔽层上通过PECVD沉积一层SiO2，作为下绝缘层。
3-2.在下绝缘层上溅射Cr/Au，厚度分别为20/200nm，作为导电层。
3-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
3-4.在导电层上使用湿法刻蚀先后将Au层和Cr层图形化。
3-5.在导电层上通过PECVD沉积一层SiO2，作为上绝缘层。
3-6.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。
3-7.通过RIE刻蚀将光刻胶上的图形转移到上绝缘层，暴露出探针上的电极点和电极基部上的焊盘。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过单片集成LED的方法克服了混合封装空间分辨率有限的问题，将LED和记录电极分为两个功能层，并在之间加入一层金属屏蔽层，有效的降低了LED供电线对与之相邻的记录通道的影响，即电磁干扰，从而提高了信号的质量。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中A部分的局部放大图；
图3为本发明实施例1中步骤S1的工艺流程图；
图4为本发明实施例1中步骤S2的工艺流程图；
图5为本发明实施例1中步骤S3的工艺流程图；
图6为本发明实施例1中步骤S4的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种用于光遗传刺激和电生理记录的LED光电极，包括记录电极层1、电磁屏蔽层2和LED光刺激层3。依次层叠设置的记录电极层1、电磁屏蔽层2、LED光刺激层3形成具有光刺激和电生理记录功能的刚性神经光电极结构。刚性神经光电极结构分为电极基部4和探针5。探针5的尖端设置有暴露的记录电极点1-1和微LED光刺激位点。记录电极点1-1位于记录电极层1；微LED光刺激位点位于LED光刺激层3。LED光刺激层3的主体材料为SiO2。LED光刺激层3上设置有供电导线；记录电极层1包括下绝缘层、导电层和上绝缘层。导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。上绝缘层及下绝缘层的材料采用氧化硅(SiO2)。导电层采用为Cr/Au双层膜；Cr(铬)层的厚度为20纳米；Au(金)层的厚度为200纳米。导电层形成信号导线。
电极基部4设置有多个焊盘，用于采集输出记录电极点1-1采集到的电信号以及向微LED光刺激位点发送信号，控制微LED光刺激位点的亮度和发光频率。记录电极点1-1、微LED光刺激位点分别通过记录电极层1内的信号导线、LED光刺激层3内的供电导线与电极基部4上对应的焊盘相连。微LED光刺激位点采用原位集成的硅基氮化镓微LED。通过微加工技术在硅衬底上实现外延生长和图形化，使得微LED光刺激位点可以直接原位集成在光电极的探针5尖端。电磁屏蔽层2的主体材料为SiO2。电磁屏蔽层2中设置有金属层2-1；屏蔽金属层2-1的材质为Cu(铜)。电磁屏蔽层2设置在LED光刺激层3和记录电极层1之间。电磁屏蔽层2内的金属层2-1接地；电磁屏蔽层2将连接微LED光刺激位点的供电导线与连接记录电极的信号导线分割在不同的层，能够大大降低LED的控制信号对记录通道数据的电磁干扰。
实施例1
前述的用于光遗传刺激和电生理记录的LED光电极的制备方法的具体步骤如下：
S1：使用硅片作为光电极衬底，在衬底上设置LED光刺激层3，并通过微加工技术实现微LED光刺激位点的图形化；微LED光刺激位点集成多个，从而实现多通道光刺激功能。
S2：在LED光刺激层3上沉积出一层电磁屏蔽层2，通过电磁屏蔽来减少LED对记录通道的电磁干扰。
S3：在电磁屏蔽层2上通过微加工技术实现记录电极层1的图形化，在记录电极层1中集成多个记录通道实现高分辨率的电生理信号记录。
S4：释放探针5。
LED光刺激层3的制备：
如图3中(1)所示，使用SOI硅片(绝缘体上硅)作为光电极的衬底，将衬底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。
如图3中(2)所示，在衬底上外延生长GaN/InGaN多量子陷(MQW)的LED光刺激层3。
如图3中(3)所示，在LED光刺激层3上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图3中(4)所示，使用离子束刻蚀将光刻胶上的图形转移到LED光刺激层3，形成LED的台面结构。
如图3中(5)所示，通过PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)沉积一层500nm厚的SiO2用来钝化LED光刺激层3。
如图3中(6)所示，在LED光刺激层3上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图3中(7)所示，通过RIE(反应离子腐蚀技术)刻蚀SiO2，用于形成LED台面上的p-GaN和底层上n-GaN的接触窗口。
如图3中(8)所示，在LED光刺激层3上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图3中(9)所示，蒸发出Ti/Al/Ti/Au层作为LED光刺激层3内的导电层，厚度分别为50/250/50/100nm。
如图3中(10)所示，把探针5放入剥离液中，剥离光刻胶上的Ti/Al/Ti/Au，从而形成LED光刺激层3的供电导线。
电磁屏蔽层2设计：
如图4中(1)所示，在图1中(10)的基础上，在LED光刺激层3上通过PECVD沉积一层SiO2绝缘层。
如图4中(2)所示，溅射材质为Cu的金属层2-1，厚度为100nm，使得SiO2绝缘层成为探针5的电磁屏蔽层2。
如图4中(3)所示，在金属层2-1上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图4中(4)所示，湿法刻蚀金属层2-1，将光刻胶上的图形转移到金属层2-1上，形成完整的电磁屏蔽层2。
记录电极层1的集成：
如图5中(1)所示，在图2中(4)的基础上，在电磁屏蔽层2上通过PECVD沉积一层SiO2，作为记录电极层1内的下绝缘层。
如图5中(2)所示，在下绝缘层上溅射Cr/Au，厚度分别为20/200nm，作为记录电极层1内的导电层。
如图5中(3)所示，在导电层上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图5中(4)所示，在导电层上使用湿法刻蚀先后将Au层和Cr层图形化。
如图5中(5)所示，在导电层上通过PECVD沉积一层SiO2，作为记录电极层1内的上绝缘层。
如图5中(6)所示，在上绝缘层上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图5中(7)所示，通过RIE刻蚀将光刻胶上的图形转移到上绝缘层，暴露出探针5上的电极点和电极基部4上的焊盘。
释放探针5：
如图6中(1)所示，在记录电极层1上溅射一层Cu金属层2-1，作为第一硬掩模，厚度为100nm。
如图6中(2)所示，在第一硬掩模上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图6中(3)所示，湿法刻蚀第一硬掩模，将光刻胶上图形转移到第一硬掩模上。
如图6中(4)所示，正面反应离子刻蚀(RIE)记录电极层1、电磁屏蔽层2上的SiO2如图6中(5)所示，通过离子束刻蚀LED光刺激层3中的n-GaN层。
如图6中(6)所示，正面深反应离子刻蚀(DRIE)衬底正面上的硅。
如图6中(7)所示，背面(衬底的背面)溅射溅射一层Cu，作为第二硬掩模，厚度为100nm。
如图6中(8)所示，在第二硬掩模上甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶，厚度为5微米。
如图6中(9)所示，刻蚀第二硬掩模，将光刻胶上图形转移到第二硬掩模上。
如图6中(10)所示，背面反应离子刻蚀(RIE)衬底背面的SiO2。
如图6中(11)所示，背面深反应离子刻蚀(DRIE)衬底背面的硅。
如图6中(12)所示，通过RIE刻蚀衬底仅剩的SiO2部分，释放探针5，并湿法刻蚀去除第二硬掩模。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
LED光刺激层3的制备中，使用普通双面抛光硅片作为光电极的衬底。
电磁屏蔽层2设计及记录电极层1的集成均与实施例1相同。
释放探针5中，在步骤(6)正面深反应离子刻蚀(DRIE)衬底正面上的硅，且刻蚀深度要大于探针5的实际厚度。
步骤(10)至(12)更换为：背面深反应离子刻蚀(DRIE)硅，刻蚀深度为硅片厚度减去探针5实际厚度，通过过刻蚀来打通正面和反面的轮廓线，从而释放电极。
Claims (10)
1.一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，包括记录电极层和LED光刺激层；其特征在于：还包括电磁屏蔽层；所述的电磁屏蔽层设置在记录电极层与LED光刺激层之间；电磁屏蔽层内的金属层接地；通过静电屏蔽避免LED光刺激层内的控制信号干扰记录电极层内传输的信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，其特征在于：分为电极基部和探针；探针的尖端设置有暴露的记录电极点和微LED光刺激位点；记录电极点位于记录电极层；微LED光刺激位点位于LED光刺激层；LED光刺激层的材料为SiO2；LED光刺激层上设置有供电导线；电极基部设置有多个焊盘；记录电极点、微LED光刺激位点分别通过记录电极层内的信号导线、LED光刺激层内的供电导线与电极基部上对应的焊盘相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，其特征在于：所述的记录电极层包括下绝缘层、导电层和上绝缘层；导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间；上绝缘层及下绝缘层的材料采用氧化硅(SiO2)；导电层采用为Cr/Au双层膜；Cr层的厚度为20纳米；Au层的厚度为200纳米；导电层形成信号导线。
4.根据权利要求1所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，其特征在于：所述的微LED光刺激位点采用原位集成的硅基氮化镓微LED。
5.根据权利要求1所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极，其特征在于：所示电磁屏蔽层的主体材料为SiO2；电磁屏蔽层内的金属层的材质为Cu；电磁屏蔽层内的金属层接地。
6.如权利要求1所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极的制备方法，其特征在于：S1：在衬底上设置LED光刺激层，并通过微加工技术实现微LED光刺激位点的图形化；微LED光刺激位点集成多个，实现多通道光刺激功能；
S2：在LED光刺激层上沉积出一层带有金属层的电磁屏蔽层；
S3：在电磁屏蔽层上通过微加工技术实现记录电极层的图形化，在记录电极层中集成多个记录通道；
S4：释放探针。
7.根据权利要求6所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极的制备方法，其特征在于：步骤S1的具体过程如下：
1-1.将衬底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时；
1-2.在衬底上外延生长GaN/InGaN多量子陷的LED光刺激层；
1-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
1-4.使用离子束刻蚀将光刻胶上的图形转移到LED光刺激层，形成LED的台面结构；
1-5.通过PECVD沉积一层500nm厚的SiO2用来钝化LED光刺激层；
1-6.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
1-7.通过RIE刻蚀SiO2，形成LED台面上的p-GaN和底层上n-GaN的接触窗口；
1-8.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
1-9.在LED光刺激层上蒸发出Ti/Al/Ti/Au层，Ti/Al/Ti/Au层的厚度分别为50/250/50/100nm；
1-10.把探针放入剥离液中，剥离光刻胶上的Ti/Al/Ti/Au，从而形成LED光刺激层的供电导线。
8.根据权利要求7所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极的制备方法，其特征在于：步骤1-1中，衬底的材料为SOI硅片或双面抛光硅片。
9.根据权利要求6所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极的制备方法，其特征在于：步骤S2的具体过程如下：
2-1.在LED光刺激层上通过PECVD沉积一层SiO2；
2-2.溅射材质为Cu的金属层；
2-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
2-4.通过湿法刻蚀将光刻胶上的图形转移到金属层上，形成电磁屏蔽层。
10.根据权利要求6所述的一种用于光遗传刺激和电生理记录的光电极的制备方法，其特征在于：步骤S3的具体过程如下：
3-1.在电磁屏蔽层上通过PECVD沉积一层SiO2，作为下绝缘层；
3-2.在下绝缘层上溅射Cr/Au，厚度分别为20/200nm，作为导电层；
3-3.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
3-4.在导电层上使用湿法刻蚀先后将Au层和Cr层图形化；
3-5.在导电层上通过PECVD沉积一层SiO2，作为上绝缘层；
3-6.甩胶后使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶；
3-7.通过RIE刻蚀将光刻胶上的图形转移到上绝缘层，暴露出探针上的电极点和电极基部上的焊盘。
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