CN112631425B - 一种微针阵列式脑机接口器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微针阵列式脑机接口器件及其制备方法，包括：采用非导电材料作为针间绝缘层，在针间绝缘层制备若干通孔；在导电材料层上制备若干金属焊盘；将导电材料层设置于针间绝缘层下方，并将导电材料层的上表面与针间绝缘层的下表面连接；将导电材料层加工成呈阵列分布的微柱状结构，使微柱状结构之间相互绝缘；将微柱状结构加工成底端为针尖的微针结构，形成呈阵列分布且针尖朝下的微针阵列层；在微针阵列层的上方制备用于连接外部电路的外部引线；在微针阵列层的针尖上制备电极点；得到微针阵列式脑机接口器件。本发明具备减少微针阵列式脑机接口器件的工艺步骤，提高生产效率和成品率，降低器件的加工成本等优点。

Description

一种微针阵列式脑机接口器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子和生物医学工程领域，具体地，涉及一种微针阵列式脑机接口器件及其制备方法，该微针阵列式脑机接口器件可用于大脑皮层和神经的电刺激和记录等。
背景技术
脑机接口(Brain-computer interface)提供了一种连接大脑与外部设备的通路，它可以通过外部设备刺激神经细胞产生动作电位，也可以记录神经细胞产生的动作电位，以此实现大脑与外部设备的双向通信。因此，脑机接口被广泛用于研究和治疗各种神经性疾病，如帕金森病、癫痫、抑郁症和特发性震颤等。
脑机接口器件主要分为植入式和非植入式两种，相较于非植入式神经电极，植入式神经电极因其高分辨率受到了国内外学者的重点关注。目前，在植入式神经电极中以犹他电极为代表的微针阵列式电极具有较高的空间分辨率，并且可以在长期植入过程中具有最高的稳定性，是由美国食品药品监督管理局(FDA,Food and Drug Administration)许可的唯一可以应用在人体的脑机接口器件。
微针阵列式电极的加工工艺首先由Normann于1991年在“A silicon-based,three-dimensional neural interface:Manufacturing processes for anintracortical electrode array”文章中提出的。该工艺以Si为基底，依次经过切割、热迁移、溅射金属、湿法腐蚀、生物钝化层沉积和尖端曝光等工艺步骤形成，通过金属铝在硅中的热迁移为导电机理，利用pn结进行针间的绝缘，从而形成形成相互绝缘的10*10微针阵列式电极。随后，在1992年，Normann等人在“A Glass/Silicon Composite IntracorticalElectrode Array”一文中对微针阵列式电极工艺进行了有效的改进，除了基本结构保持以前的参数之外，将导电机理由金属热迁移改成采用重掺杂的低阻硅材料，将微针间的绝缘方式由pn结变为填充玻璃粉，从此成为了该微针阵列式脑机接口器件最常见的工艺方式。随后在2010年，Florian Solzbacher等人在“Wafer-scale fabrication of penetratingneural microelectrode arrays”文章中针对该加工方法实现晶片级制造，提高产能。
除此之外，微针阵列式脑机接口器件的工艺研究主要针对某一步工艺进行改进。2012年，Yoo等人在“Excimer-laser deinsulation of Parylene-C coated Utahelectrode array tips”一文中提出了使用激光去除针尖端生物相容性材料的方法。2015年，Leber等人又在“Maskless method to selectively etch Parylene-C from highaspect ratio neural devices”一文中采用反应离子刻蚀的方法来去除微针尖端的生物相容性材料。2013年，Wark等人在“A new high-density(25electrodes/mm～2)penetrating microelectrode array for recording and stimulating sub-millimeterneuroanatomical structures”一文中设计了一种长度不同的微针阵列式电极，丰富微针阵列式电极的应用领域。然而以上文献对于微针阵列式工艺的改进都集中在针尖掩膜和硅柱切割方面，其他工艺步骤并没有进行有效的优化。并且，在Florian Solzbacher等人在2010年提出的工艺流程中，针尖绝缘的处理涉及填充玻璃粉、高温退火、手工研磨和悬浮液抛光等步骤，这些工艺在费时费力的同时，还大大降低了器件的成品率以及均匀性。
综上所述，涉及微针阵列式脑机接口器件的加工工艺都通过填充玻璃粉为介质以达到微针间绝缘的目的，该过程不仅复杂而且对器件有一定的影响，因此亟需一种全新工艺用以提高器件的生产效率和成品率并且降低器件的加工成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微针阵列式脑机接口器件及其制备方法。
本发明第一个方面提供一种微针阵列式脑机接口器件的制备方法，包括：
采用非导电材料作为针间绝缘层，在所述针间绝缘层制备若干通孔，所述若干通孔贯穿所述针间绝缘层的厚度方向并呈阵列分布；
在导电材料层上制备若干金属焊盘；
将导电材料层设置于所述针间绝缘层下方，并将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面连接，使所述金属焊盘与所述针间绝缘层的通孔对准；
将所述导电材料层加工成呈阵列分布的微柱状结构，使所述微柱状结构之间相互绝缘，且所述金属焊盘位于所述微柱状结构的顶部；将所述微柱状结构加工成底端为针尖的微针结构，即在所述针间绝缘层的下表面形成呈阵列分布且针尖朝下的微针阵列层；
在所述微针阵列层的上方制备用于连接外部电路的外部引线，所述外部引线通过所述通孔与所述金属焊盘连接；
在所述微针阵列层的针尖上制备电极点；
在所述微针阵列层表面制备生物相容性层，并暴露出所述针尖，使所述电极点暴露在外部，得到微针阵列式脑机接口器件。
优选地，在导电材料层上制备若干金属焊盘，其中，在所述导电材料层的上表面采用金属溅射或沉积方式形成所述金属焊盘。
优选地，在微针阵列层的上方制备用于连接外部电路的外部引线，包括：在所述针间绝缘层上沉积金属线，使所述针间绝缘层的通孔形成截面呈梯形状通孔，所述金属线分布于所述梯形状通孔内并连接上下层，使所述针间绝缘层上表面与所述微针结构上端面的金属互联；或者采用金属材料填充所述针间绝缘层的通孔，然后采用压焊将金属线与所述金属材料固定，使所述通孔内的金属材料、所述金属焊盘及所述金属线的互联；或者直接采用引线键合方式，将金属线压焊到所述金属焊盘。
优选地，所述将导电材料层设置于所述针间绝缘层下方，并将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面连接，其中，将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面采用键合、胶粘或焊接连接。
优选地，所述采用非导电材料作为针间绝缘层，其中，所述非导电材料为刚性材料或柔性材料；
优选地，采用导电材料层制备微针阵列层；其中，所述导电材料层的材料为金属或低阻硅；
优选地，所述生物相容性层采用绝缘且具有生物相容性的材料，所述材料包括聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷；
优选地，所述电极点的材料采用导电材料，所述导电材料采用金属、金属氧化物或纳米材料。
优选地，在所述针间绝缘层制备若干通孔，其中，在所述针间绝缘层采用干法刻蚀、湿法腐蚀或激光打孔形成所述通孔。
优选地，将所述导电材料层加工成呈阵列分布的微柱状结构；其中，对所述导电材料层进行机械切割、干法刻蚀或湿法腐蚀加工微柱状结构，且加工时保证将所述微针阵列层完全切透，使所述微柱状结构之间相互绝缘。
优选地，所述在微针阵列层的针尖上制备电极点；其中，将电极材料采用溅射、沉积、电镀或滴涂于针尖上。
本发明第二个方面提供一种微针阵列式脑机接口器件，采用上述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述制备方法，对传统微针阵列式脑机接口器件制备工艺进行改进，通过将微针阵列层和针间绝缘层直接结合为一体，实现微针之间的快速绝缘并且有效提高针间的结合力；针间绝缘层通孔的排布，同时可利用球珊网格阵列等封装方法丰富了外部引线的电学连接方式；并在整个电极除针尖外涂覆生物相容性材料，最大限度的降低电极在植入人体后引起的异物反应；上述制备方法减少了传统工艺的填充玻璃粉、高温退火、手工研磨和悬浮液抛光等步骤，大大简化了微针阵列式电极的制作工艺，并且提高了生产效率和成品率，降低器件的生产成本，促进微针阵列式脑机接口器件在脑电刺激和记录方面的发展。
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是本发明一优选实施例的微针阵列式脑机接口器件的整体结构示意图；
图2是实施例1的微针阵列式脑机接口器件的制备方法的工艺流程图；
图3是实施例2的微针阵列式脑机接口器件的制备方法的工艺流程图；
图中标记分别表示为：微针阵列层1、针间绝缘层2、外部引线3、微针11、针尖111、针体112、焊盘通孔21、连接区域22。
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。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位和位置关系是基于附图所示的方位和位置关系，仅用于方便描述本发明和实施方式，并不表明所涉及部分必须具有所述特定的方位和位置组合，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种微针阵列式脑机接口器件的制备方法，以非金属导电物制备微针阵列层，以直接压焊方式进行金属引线的加工工艺流程。
如图2中(a)所示，采用低阻硅片制备微针阵列层。先清洗硅片后，然后在硅片旋涂光刻胶厚5um，前烘120s，曝光45s，显影45s，用去离子水冲洗30s，氮气吹干后在其表面溅射金属。将溅射后的硅片放入丙酮溶液中进行lift-off工艺，最终在硅片的上表面得到金属焊盘；作为一优选方式，低阻硅片厚度为1.5mm，溅射金属为铬和金。
如图2中(b)所示，采用玻璃片作为针间绝缘层。在玻璃片上采取激光打孔的方式打出若干通孔。作为一优选方式，玻璃片的厚度为300um。
如图2中(c)所示，将玻璃片和硅片采用阳极键合工艺键合在一起，将玻璃片的下表面与硅片的上表面连接，保证硅片上的金属焊盘与玻璃片上的通孔一一对准，方便后续的引线工作。
如图2中(d)所示，对硅片的未键合面(即硅片的下表面)进行切割形成若干硅柱，并保证切割到玻璃层，保证各硅柱之间相互绝缘；接着切成相互独立的阵列，然后对切割后的硅柱进行各向同性湿法腐蚀，将硅柱腐蚀成微针；如图中所示，在玻璃片的下表面形成针尖朝下的微针阵列层。作为一优选方式，湿法腐蚀溶液可以采用氢氟酸和硝酸混合溶液。
如图2中(e)所示，在腐蚀后的微针阵列层背部进行金属引线的焊接，焊接时可采取将金属线直接压焊到金属焊盘；但是当通孔较深时，导致压焊机无法进行焊压，可采用电镀的方法在通孔填充金属材料，缩短通孔深度，然后再采用压焊将金属线压在金属材料上，同时进行加热，使金属线固定在金属焊盘上。外部引线结束后，用针尖掩膜的方式在针尖上溅射电极材料。作为一优选方式，电极材料采用金或氧化铱；并且掩膜材料采用铝箔。
如图2中(f)所示，在整个微针阵列层的表面上沉积生物相容性材料，最大限度的降低电极在植入人体后引起的异物反应。在沉积完生物相容性材料后采用与图2中(e)中相同的硬掩模暴露针尖部分，通过等离子体刻蚀去除针尖上的生物相容性材料，暴露出微针针尖的电极材料，最终完成微针阵列式脑机接口器件的制作。作为一优选方式，生物相容性材料选用Parylene C。
参照图1所示，为制备得到微针阵列式脑机接口器件的结构示意图，图中包括微针阵列层1、针间绝缘层2和外部引线3；其中，微针阵列层由一定数量的微针11组成；微针分为针尖111和针112体两部分，针尖绝缘层由焊盘通孔21和连接区域22组成。
实施例2
本实施例提供一种微针阵列式脑机接口器件的制备方法，以金属材料作为微针阵列层，以多层金属互联的方式进行金属引线的加工工艺流程，具体采用以下步骤：
如图3中(a)所示，采用钛片制备微针阵列层。选用抛光的钛片，清洗后备用。
如图3中(b)所示，采用玻璃片作为针间绝缘层。利用高精度激光加工玻璃通孔(TGV)技术在玻璃片上进行通孔的设计，在玻璃片上制备呈阵列分布的若干通孔。作为一优选方式，通孔直径可为10um-100um，玻璃片厚度为300um。
如图3中(c)所示，利用键合工艺将玻璃片与钛片键合在一起。
如图3中(d)所示，对钛片进行切割形成棱柱阵列结构，然后对棱柱阵列结构进行各向同性腐蚀形成微针阵列层。
如图3中(e)所示，在玻璃片上表面进行物理气相沉积工艺，首先旋涂光刻胶后曝光，然后用PVD技术沉积金属线、金属焊盘，利用TGV技术形成的梯形截面并形成金属“爬坡”现象(金属线分布在通孔内，用于连接上下层)，实现玻璃片上表面与钛片上表面的金属互联。
如图3中(f)所示，在整个微针阵列层表面上沉积生物相容性材料，最大限度的降低电极在植入人体后引起的异物反应。在沉积完生物相容性材料后采用硬掩模暴露针尖部分，然后通过等离子体刻蚀去除针尖上的生物相容性材料，暴露出之前溅射的电极材料，最终完成微针阵列式脑机接口器件的制作。作为一优选方式，生物相容性材料选用ParyleneC，硬掩模材料选用铝箔。
参照图1所示，为制备得到微针阵列式脑机接口器件的结构示意图，图中包括微针阵列层1、针间绝缘层2和外部引线3；其中，微针阵列层由一定数量的微针11组成；微针分为针尖111和针112体两部分，针尖绝缘层由焊盘通孔21和连接区域22组成。
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。

Claims (10)

1.一种微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，包括：
采用非导电材料作为针间绝缘层，在所述针间绝缘层制备若干通孔，所述若干通孔贯穿所述针间绝缘层的厚度方向并呈阵列分布；
在导电材料层上制备若干金属焊盘；
将所述导电材料层设置于所述针间绝缘层下方，并将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面连接，使所述金属焊盘与所述针间绝缘层的通孔对准；
将所述导电材料层加工成呈阵列分布的微柱状结构，使所述微柱状结构之间相互绝缘，且所述金属焊盘位于所述微柱状结构的顶部；将所述微柱状结构加工成底端为针尖的微针结构，即在所述针间绝缘层的下表面形成呈阵列分布且针尖朝下的微针阵列层；
在所述微针阵列层的上方制备用于连接外部电路的外部引线，所述外部引线通过所述通孔与所述金属焊盘连接；
在所述微针阵列层的针尖上制备电极点；
在所述微针阵列层表面制备生物相容性层，并暴露出所述针尖，使所述电极点暴露在外部，得到微针阵列式脑机接口器件。
2.根据权利要求1所述的一种微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，在导电材料层上制备若干金属焊盘，其中，在所述导电材料层的上表面采用金属溅射或沉积方式形成所述金属焊盘。
3.根据权利要求1所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，在微针阵列层的上方制备用于连接外部电路的外部引线，包括：在所述针间绝缘层上沉积金属线，使所述针间绝缘层的通孔形成截面呈梯形状通孔，所述金属线分布于所述梯形状通孔内并连接上下层，使所述针间绝缘层上表面与所述微针结构上端面的金属互联；或者采用金属材料填充所述针间绝缘层的通孔，然后采用压焊将金属线与所述金属材料固定，使所述通孔内的金属材料、所述金属焊盘及所述金属线的互联；或者直接采用引线键合方式，将金属线压焊到所述金属焊盘。
4.根据权利要求1所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，所述将导电材料层设置于所述针间绝缘层下方，并将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面连接，其中，将所述导电材料层的上表面与所述针间绝缘层的下表面采用键合、胶粘或焊接连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，具有以下一种或多种特征：
-所述非导电材料为刚性材料或柔性材料；
-所述导电材料层的材料为金属或低阻硅；
-所述电极点的材料采用导电材料，所述导电材料采用金属、金属氧化物或纳米材料。
6.根据权利要求1-4任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，所述生物相容性层采用绝缘且具有生物相容性的材料，所述材料采用聚对二甲苯或聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求1-4任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，在所述针间绝缘层制备若干通孔，其中，在所述针间绝缘层采用干法刻蚀、湿法腐蚀或激光打孔形成所述通孔。
8.根据权利要求1-4任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，将所述导电材料层加工成呈阵列分布的微柱状结构；其中，对所述导电材料层进行机械切割、干法刻蚀或湿法腐蚀加工成若干微柱状结构，且加工时保证将所述微针阵列层完全切透，使所述若干微柱状结构之间相互绝缘。
9.根据权利要求1-4任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法，其特征在于，所述在微针阵列层的针尖上制备电极点；其中，将电极材料采用溅射、沉积、电镀或滴涂于针尖上。
10.一种微针阵列式脑机接口器件，其特征在于，采用上述权利要求1-9任一项所述的微针阵列式脑机接口器件的制备方法得到。
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