CN112099160A - 一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法，其结构包括：柔性轻质塑料基板；光纤支架，内设有光纤，光纤支架以预设角度固定在柔性轻质塑料基板上；光电极探针后端，包括后端硅衬底以及设在后端硅衬底上的输入光栅，后端硅衬底与柔性轻质塑料基板粘接连接，输入光栅与光纤的输出端耦合连接，后端硅衬底上还设有第一焊盘；PCB板，设有第二焊盘，第二焊盘与第一焊盘一一对应，PCB板与后端硅衬底焊接连接。本发明提供的后端连接结构基于光栅耦合引入光信号，能降低对准精度的要求且简化对准操作流程；基于倒装焊接PCB电路板和探针后端焊盘，减少了焊盘间引线长度，从而减小连接电阻和寄生电容，提高了采集的电生理信号的信噪比。

Description

一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及神经科学的脑机接口领域，尤其涉及一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法。
背景技术
光电极是光遗传工具应用的重要组成部分，其功能是把光导入脑内调控神经元活动，同时记录神经元电信号在光调控下变化情况的一种植入式神经接口器件。植入式神经光电极已被广泛应用于光遗传学等神经科学相关研究，通过微加工工艺制造的光电极探针可以微创地植入脑内并对神经细胞进行光、电刺激和记录。通过探针前端采集得到信号需要传输到脑电芯片进行处理，而对神经细胞的刺激也需要通过脑电芯片进行操控，因而需要有一个后端连接模块以实现脑电芯片与探针前端之间光、电信号的连接。
其中，电信号的连接常见的有基于引线键合(wire-bonding)的方式实现，通过热压超声键合并利用金线实现探针后端电焊盘与PCB板上焊盘的连接，但这种连接方式质量较差，同时较长的引线会导致较大的连接电阻和寄生电容，影响电信号的质量。
其中，光信号的连接常见的有通过光纤与探针上的波导之间对准边缘耦合(edge-coupling)来实现，光纤另一端与激光器相连接以提供光源；此外，还有通过在PCB板上直接焊接LD(激光二极管)芯片，并将LD芯片的输出端直接对准波导来提供光源。但通过端面耦合实现光连接的方式对对准精度要求很高，操作过程较为复杂，而且稳定性较差、成品率低。
针对一种将输入光栅、波导、输出光栅作为光学器件层的柔性植入式神经光电极，可以利用输入光栅构建新的光信号的连接结构，同时对电信号的连接方式进行优化，以实现更好的连接质量和信号质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是将植入式神经光电极与光源设备和脑机芯片进行连接，并使光、电信号的连接、引出具有更高的连接质量和信号质量。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法。具体技术方案如下所述：
第一方面，本发明公开了一种植入式神经光电极的后端连接结构，所述后端连接结构包括：
柔性轻质塑料基板；
光纤支架，所述光纤支架内设有光纤，所述光纤支架以预设角度固定在所述柔性轻质塑料基板上；
光电极探针后端，包括后端硅衬底以及设在所述后端硅衬底上的输入光栅和波导，所述后端硅衬底与所述柔性轻质塑料基板粘接连接，所述输入光栅与所述光纤的输出端耦合连接，所述后端硅衬底上还设有第一焊盘，分布在所述输入光栅和波导的两侧；
PCB板，所述PCB板上设有第二焊盘，所述第二焊盘的位置与所述第一焊盘的位置一一对应，所述PCB板与所述后端硅衬底焊接连接。
优选地，所述设在所述后端硅衬底上的输入光栅通过所述波导与光电极探针前端的输出光栅连接；
所述后端硅衬底上的第一焊盘通过金属互联线与光电极探针前端的电极连接。
优选地，所述光纤的输入端与光源设备连接，所述光源设备采用激光器或二极管；
所述PCB板通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，所述柔性缆线包括光纤和电缆线。
优选地，所述光纤支架固定在所述柔性轻质塑料基板上的预设角度与所述输入光栅设计的入射光耦合角度对应。
优选地，所述后端硅衬底上的第一焊盘上设有金属凸点以实现所述后端硅衬底与所述PCB板的倒装焊接。
第二方面，本发明公开了一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法，所述方法包括步骤：
S1：准备柔性轻质塑料基板和光电极探针后端待用，所述光电极探针后端包括后端硅衬底以及设在所述后端硅衬底上的输入光栅、波导和第一焊盘；
S2：按照所述输入光栅设计的入射光耦合角度制备光纤支架，将光纤固定在所述光纤支架上，并将所述光纤支架固定在所述柔性轻质塑料基板上；
S3：调节所述柔性轻质塑料基板和所述后端硅衬底的相对位置，以使所述光纤的输出端耦合对准所述输入光栅；
S4：将所述后端硅衬底粘接在所述柔性轻质塑料基板上，实现光信号的连接；
S5：制备PCB板，所述PCB板的第二焊盘的位置与所述第一焊盘的位置一一对应；
S6：在所述第一焊盘上制备金属凸点；
S7：基于所述金属凸点将所述PCB板与所述后端硅衬底进行对准和倒装焊接，实现电生理信号的引出。
优选地，所述步骤S3具体包括：
将所述光电极探针后端固定于三轴平移台上，并将所述光电极探针后端的末端搭在所述柔性轻质塑料板上；
调节三轴平移台以使所述光纤的输出端准确对准并入射到所述光电极探针后端的输入光栅。
优选地，所述步骤S4具体包括：
通过紫外固化胶将所述后端硅衬底粘接所述柔性轻质塑料基板上；
所述光纤的输入端连接光源设备，所述后端硅衬底上的输入光栅通过波导连接光电极探针前端的输出光栅，实现光信号的连接。
优选地，所述步骤S6具体包括：
S61：在制备完成的光电极探针后端上溅射一层厚度为40nm-60nm的镍作为凸点下金属层；
S62：在所述凸点下属层上旋涂一层厚度为10μm-15μm的正性光刻胶；
S63：对所述正性光刻胶进行曝光、显影，暴露得到电镀凸点；
S64：在所述电镀凸点上电镀厚度为4μm-6μm的铜柱；
S65：在步骤S65得到的铜柱上电镀厚度为4μm-6μm的铅锡合金；
S66：除去所述正性光刻胶，并通过干法刻蚀去除所述凸点下金属层；
S67：加热回流形成铅锡焊料凸点。
优选地，所述步骤S7具体包括：
基于所述金属凸点，将所述PCB板翻转放置在所述后端硅衬底上，并使所述第一焊盘和所述第二焊盘一一对准；
在185℃-200℃下对所述PCB板和所述后端硅衬底进行热压完成倒装焊接；
所述第一焊盘通过金属互联线与光电极探针前端的电极连接，所述PCB板通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，实现电生理信号的引出。
采用上述技术方案，本发明所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法具有如下有益效果：
1)本发明提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构基于以输入光栅、波导和输出光栅作为光学器件层的柔性植入式神经光电极设计而成，利用输入光栅与光纤的输出端耦合连接实现光信号的连接，较之边缘耦合的方式，对对准精度的要求降低，同时简化了对准的操作流程；
2)本发明提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构通过倒装焊接工艺连接PCB板和光电极探针后端实现电生理信号的引出，较之引线键合的方式，减小了连接电阻和寄生电容，提高了电信号的信噪比，从而提高信号质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例一提供的一种植入式神经光电极的探针结构的仿真示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种植入式部分神经光电极的探针结构示意图
图3是本发明实施例一提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构的仿真示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法的流程示意图；
图5是本发明实施例二提供的一种制备金属凸点的方法流程示意图；
图6(a)-(g)是本发明实施例二提供的一种制备金属凸点的结构示意图；
图7是本发明实施例二提供的一种制备植入式神经光电极的后端结构中的倒装焊接示意图；
图中，1-柔性轻质塑料基板，2-光纤支架，3-光纤，4-光电极探针后端，5-后端硅衬底，6-输入光栅，7-波导，8-第一焊盘，9-PCB板，10-第二焊盘，11-光电极探针前端，12-输出光栅，13-金属互联线，14-电极，15-金属凸点。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
本发明实施例一提供了一种植入式神经光电极的后端连接结构，所述后端连接结构基于一种柔性植入式神经光电极设计，所述柔性植入式神经光电极的探针结构如图1和图2所示。连接光信号的光学器件包括输入光栅6、波导7和输出光栅12，连接电生理信号的电学器件包括电极14、金属互联线13、第一焊盘8，所述光学器件层和电学器件层基于柔性聚合物进行封装。
所述一种植入式神经光电极的后端连接结构如图3所示，所述后端连接结构包括：
柔性轻质塑料基板1；
光纤支架2，所述光纤支架内设有光纤3，所述光纤支架2以预设角度固定在所述柔性轻质塑料基板1上；
光电极探针后端4，包括后端硅衬底5以及设在所述后端硅衬底上的输入光栅6和波导7，所述后端硅衬底5与所述柔性轻质塑料基板1粘接连接，所述输入光栅6与所述光纤3的输出端耦合连接，所述后端硅衬底5上还设有第一焊盘8，分布在所述输入光栅6和波导7的两侧；
PCB板9，所述PCB板上设有第二焊盘10，所述第二焊盘10的位置与所述第一焊盘8的位置一一对应，所述PCB板9与所述后端硅衬底5焊接连接。
进一步地，所述设在所述后端硅衬底上5的输入光栅6通过所述波导7与光电极探针前端11的输出光栅12连接；
所述后端硅衬底5上的第一焊盘8通过金属互联线13与光电极探针前端11的电极14连接。
进一步地，所述光纤3的输入端与光源设备连接，所述光源设备采用激光器或二极管，图2中箭头可以代表激光输入的方向；
所述PCB板9通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，所述柔性缆线包括光纤和电缆线。
具体地，所述光纤支架2固定在所述柔性轻质塑料基板1上的预设角度与所述输入光栅6设计的入射光耦合角度对应。
具体地，所述后端硅衬底5上的第一焊盘8上设有金属凸点15以实现所述后端硅衬底5与所述PCB板9的倒装焊接。
在本发明实施例一中，通过紫外固化胶将所述光纤支架2粘接固定在所述柔性轻质塑料基板1上，同样可以通过紫外固化胶将所述后端硅衬底5粘接固定在所述柔性轻质塑料基板1上。
实施例二
本发明实施例二提供了一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法，如图4所示，所述方法包括：
S1：准备柔性轻质塑料基板1和光电极探针后端4待用，所述光电极探针后端4包括后端硅衬底5以及设在所述后端硅衬底5上的输入光栅6、波导7和第一焊盘8。
S2：按照所述输入光栅6设计的入射光耦合角度制备光纤支架2，将光纤3固定在所述光纤支架2上，并将所述光纤支架2固定在所述柔性轻质塑料基板1上。
S3：调节所述柔性轻质塑料基板1和所述后端硅衬底5的相对位置，以使所述光纤3的输出端耦合对准所述输入光栅6。
具体地，将所述光电极探针后端4固定于三轴平移台上，并将所述光电极探针后端4的末端搭在所述柔性轻质塑料板1上；
调节三轴平移台以使所述光纤3的输出端准确对准并入射到所述光电极探针后端的输入光栅6。
S4：将所述后端硅衬底5粘接在所述柔性轻质塑料基板1上，实现光信号的连接。
具体地，通过紫外固化胶将所述后端硅衬底5粘接所述柔性轻质塑料基板1上；
所述光纤3的输入端连接光源设备，所述后端硅衬底5上的输入光栅6通过波导7连接光电极探针前端11的输出光栅12，实现光信号的连接。
S5：制备PCB板9，所述PCB板9的第二焊盘10的位置与所述第一焊盘8的位置一一对应。
S6：在所述第一焊盘8上制备金属凸点15。
具体地，如图5和图6(a)-(g)所示，所述步骤S6可以包括以下步骤：
S61：在制备完成的光电极探针后端上溅射一层厚度为40nm-60nm(例如50nm)的镍作为凸点下金属层。
S62：在所述凸点下属层上旋涂一层厚度为10μm-15μm(例如13μm)的正性光刻胶。
S63：对所述正性光刻胶进行曝光、显影，暴露得到电镀凸点。
S64：在所述电镀凸点上电镀厚度为4μm-6μm(例如5μm)的铜柱。
S65：在步骤S65得到的铜柱上电镀厚度为4μm-6μm(例如5μm)的铅锡合金。
S66：除去所述正性光刻胶，并通过干法刻蚀去除所述凸点下金属层。
S67：加热回流形成铅锡焊料凸点。
S7：基于所述金属凸点15将所述PCB板9与所述后端硅衬底5进行对准和倒装焊接，实现电生理信号的引出。
具体地，如图7所示，基于所述金属凸点15，将所述PCB板9翻转放置在所述后端硅衬底6上，并使所述第一焊盘8和所述第二焊盘10一一对准；
在185℃-200℃(例如190℃)下对所述PCB板9和所述后端硅衬底5进行热压完成倒装焊接；
所述第一焊盘7通过金属互联线13与光电极探针前端11的电极14连接，所述PCB板9通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，实现电生理信号的引出。
本发明实施例提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构及其制备方法具有如下有益效果：
1)本发明提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构基于以输入光栅、波导和输出光栅作为光学器件层的柔性植入式神经光电极设计而成，利用输入光栅与光纤的输出端耦合连接实现光信号的连接，较之边缘耦合的方式，对对准精度的要求降低，同时简化了对准的操作流程；
2)本发明提供的一种植入式神经光电极的后端连接结构通过倒装焊接工艺连接PCB板和光电极探针后端实现电生理信号的引出，较之引线键合的方式，减小了连接电阻和寄生电容，提高了电信号的信噪比，从而提高信号质量。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种植入式神经光电极的后端连接结构，其特征在于，所述后端连接结构包括：
柔性轻质塑料基板(1)；
光纤支架(2)，所述光纤支架内设有光纤(3)，所述光纤支架(2)以预设角度固定在所述柔性轻质塑料基板(1)上；
光电极探针后端(4)，包括后端硅衬底(5)以及设在所述后端硅衬底(5)上的输入光栅(6)和波导(7)，所述后端硅衬底(5)与所述柔性轻质塑料基板(1)粘接连接，所述输入光栅(6)与所述光纤(3)的输出端耦合连接，所述后端硅衬底(5)上还设有第一焊盘(8)，分布在所述输入光栅(6)和波导(7)的两侧；
PCB板(9)，所述PCB板(9)上设有第二焊盘(10)，所述第二焊盘(10)的位置与所述第一焊盘(8)的位置一一对应，所述PCB板(9)与所述后端硅衬底(5)焊接连接。
2.根据权利要求1所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构，其特征在于，
所述设在所述后端硅衬底(5)上的输入光栅(6)通过所述波导(7)与光电极探针前端(11)的输出光栅(12)连接；
所述后端硅衬底(5)上的第一焊盘(8)通过金属互联线(13)与光电极探针前端(11)的电极(14)连接。
3.根据权利要求2所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构，其特征在于，
所述光纤(3)的输入端与光源设备连接，所述光源设备采用激光器或二极管；
所述PCB板(9)通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，所述柔性缆线包括光纤和电缆线。
4.根据权利要求1所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构，其特征在于，所述光纤支架(2)固定在所述柔性轻质塑料基板(1)上的预设角度与所述输入光栅(6)设计的入射光耦合角度对应。
5.根据权利要求1所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构，其特征在于，所述后端硅衬底(5)上的第一焊盘(8)上设有金属凸点(15)以实现所述后端硅衬底(5)与所述PCB板(9)的倒装焊接。
6.一种制备如权利要求1-5任一项所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1：准备柔性轻质塑料基板(1)和光电极探针后端(4)待用，所述光电极探针后端(4)包括后端硅衬底(5)以及设在所述后端硅衬底(5)上的输入光栅(6)、波导(7)和第一焊盘(8)；
S2：按照所述输入光栅(6)设计的入射光耦合角度制备光纤支架(2)，将光纤(3)固定在所述光纤支架(2)上，并将所述光纤支架(2)固定在所述柔性轻质塑料基板(1)上；
S3：调节所述柔性轻质塑料基板(1)和所述后端硅衬底(5)的相对位置，以使所述光纤(3)的输出端耦合对准所述输入光栅(6)；
S4：将所述后端硅衬底(5)粘接在所述柔性轻质塑料基板(1)上，实现光信号的连接；
S5：制备PCB板(9)，所述PCB板(9)的第二焊盘(10)的位置与所述第一焊盘(8)的位置一一对应；
S6：在所述第一焊盘(8)上制备金属凸点(15)；
S7：基于所述金属凸点(15)将所述PCB板(9)与所述后端硅衬底(5)进行对准和倒装焊接，实现电生理信号的引出。
7.根据权利要求6所述的一种制备植入式神经光电极的后端连接结构的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
将所述光电极探针后端(4)固定于三轴平移台上，并将所述光电极探针后端的末端搭在所述柔性轻质塑料板(1)上；
调节三轴平移台以使所述光纤(3)的输出端准确对准并入射到所述光电极探针后端(4)的输入光栅(6)。
8.根据权利要求6所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
通过紫外固化胶将所述后端硅衬底(5)粘接所述柔性轻质塑料基板(1)上；
所述光纤(3)的输入端连接光源设备，所述后端硅衬底(5)上的输入光栅(6)通过波导(7)连接光电极探针前端(11)的输出光栅(12)，实现光信号的连接。
9.根据权利要求6所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：
S61：在制备完成的光电极探针后端上溅射一层厚度为40nm-60nm的镍作为凸点下金属层；
S62：在所述凸点下属层上旋涂一层厚度为10μm-15μm的正性光刻胶；
S63：对所述正性光刻胶进行曝光、显影，暴露得到电镀凸点；
S64：在所述电镀凸点上电镀厚度为4μm-6μm的铜柱；
S65：在步骤S65得到的铜柱上电镀厚度为4μm-6μm的铅锡合金；
S66：除去所述正性光刻胶，并通过干法刻蚀去除所述凸点下金属层；
S67：加热回流形成铅锡焊料凸点。
10.根据权利要求6所述的一种植入式神经光电极的后端连接结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括：
基于所述金属凸点(15)，将所述PCB板(9)翻转放置在所述后端硅衬底(5)上，并使所述第一焊盘(8)和所述第二焊盘(10)一一对准；
在185℃-200℃下对所述PCB板(9)和所述后端硅衬底(5)进行热压完成倒装焊接；
所述第一焊盘(8)通过金属互联线(13)与光电极探针前端(11)的电极(14)连接，所述PCB板(9)通过柔性缆线与脑电处理芯片连接，实现电生理信号的引出。
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