CN114010198A - 一种高密度自绝缘的柔性微针电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高密度自绝缘的柔性微针电极及其制备方法。现有的柔性脑皮层电极存在刺激和记录空间分辨率低以及无法植入皮层内部的问题。此外，已有的犹他电极或类犹他电极还存在制备工艺复杂和成本高的问题。该柔性微针电极包括下绝缘层，设置在下绝缘层上的SU‑8凸台，以及设置在SU‑8凸台上的金属导电焊盘、金属导线和柔性微针电极阵列。SU‑8凸台不同位置的纵截面均为倒梯形；多个金属导电焊盘、多条金属导线和柔性微针电极阵列均设置在SU‑8凸台上。本发明通过利用微针结构，使得微针电极阵列的电极点能够刺入组织内部实现高时空分辨率的刺激和记录。本发明具有制备工艺简单和低成本的优点，还具有优秀的机械匹配性。
Description
技术领域
本发明属于脑机接口技术领域，具体涉及一种用于电生理记录和刺激的柔性微针电极阵列的微加工制备方法，该电极是通过将柔性微针阵列结构与金属微电极阵列结构相结合来实现一种生物组织内数百微米深度的电生理刺激与记录的。
背景技术
大多数后天失明的人群只有眼睛或者视神经受损。这激发了人们对视觉皮质假体(VCP)的研究，VCP是一种绕过眼睛和视神经的装置，将视觉信息从摄像机直接传输到视觉皮质。VCP是用可以产生被称为磷光的微弱闪光电流去刺激视觉皮层。由于视网膜皮层映射，在皮层图的不同位置植入一系列电极阵列，从而可以产生多个磷光，每个受刺激电极在一个可预测的视野位置产生一个磷光。生物医学工程的最新进展包含了数十个电极的无线供电和控制设备，这些电极可以植入视觉皮层，从而在全世界范围内重新努力开发临床可用的VCP。
尽管有这些深刻的先进技术，但用于产生视觉感知的刺激模式还没有相应的进步。现有的基本假设仍然是，单个磷光类似于计算机显示器中的像素，它们可以很容易地被结合起来生成一个连贯的图像。尽管其具有直观的吸引力，但几乎没有证据表明这些假设是正确的。在VCP的早期测试中，刺激多个电极，只能产生多个孤立的磷光，而这些磷光并没有组合成连贯的形式。该结论在植入颅内电极用于癫痫术前评估的视力受试者中重复了这一发现。
为了克服这个障碍，美国贝勒医学院的MichaelS.Beauchamp等人在论文“DynamicStimulationofVisualCortexProducesFormVisioninSightedandBlindHumans”中开发了一种方法，使用一系列电极动态激活。这种新的刺激模式好比追踪手掌上的字母。为了传递字母“Z”，可以将多个以“Z”形状排列的探针压入手掌中。然而，这种技术产生了一种不连贯的触摸感。再者，可以按照与“Z”形状匹配的顺序动态移动单个探针，这就立刻产生了一种连贯的感受。现有VCP中使用的电刺激模式类似于多探头方法：刺激多个电极，要么一次刺激，要么在时间上稍微偏移，导致感知不连贯。MichaelS.Beauchamp提出的新模式类似于在手掌上追踪字母，不同的是，所需的字母是通过动态顺序刺激电极在皮层表面形成的。然而，该论文中使用的视觉皮层假体(SecondSightMedicalProducts)只有60个电极点，无法实现高分辨率的磷光体刺激。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，使用Parylene(聚对二甲苯)或PI(聚酰亚胺)作为记录电极衬底，并结合SU-8微针电极阵列结构来实现神经记录和刺激；通过SU-8微针阵列与柔性Parylene/PI电极的结合，一方面可以使得ECoG(脑皮层)电极拥有良好的柔性，从而减轻机械失配引起的脑组织损伤，另一方面也可以确保电极点具有合适的高度，从而刺穿生物表层的同时实现不同深度组织的记录和刺激。
第一方面，本发明提供一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其包括下绝缘层，设置在下绝缘层上的SU-8凸台，以及设置在SU-8凸台上的金属导电焊盘、金属导线和柔性微针电极阵列。SU-8凸台包括微针凸台、导线凸台和焊盘凸台。多个微针凸台与对应数量的多个焊盘凸台分别通过对应的导线凸台连接起来。微针凸台、导线凸台和焊盘凸台的纵截面均为上大下小的倒梯形；多个金属导电焊盘、多条金属导线和柔性微针电极阵列分别设置在对应的焊盘凸台、导线凸台和微针凸台上，与通过SU-8凸台内凹的台阶处形成自绝缘。微针电极阵列与各个金属导电焊盘分别通过对应的金属导线将导通。
作为优选，所述的柔性微针电极阵列包括呈多个柔性微针电极点。柔性微针电极点包括由内至外依次排列的SU-8微针、导电金属层和聚合物绝缘层。SU-8微针设置在对应的微针凸台上。导电金属层的尖端处暴露在聚合物绝缘层外。
作为优选，所述的SU-8凸台通过旋涂SU-8光刻胶后的正面曝光工艺形成；所述的SU-8微针通过旋涂SU-8光刻胶后的背面曝光工艺形成。
作为优选，在柔性微针电极上，通过去除聚合物绝缘层尖端部分的方式，实现导电金属层尖端的露出。具体操作为旋涂光刻胶至完全覆盖柔性微针电极阵列；通过RIE刻蚀使得聚合物绝缘层的尖端露出并被去除；去除剩余光刻胶后形成导电金属层尖端露出的柔性微针电极点。
作为优选，所述的SU-8微针设置在对应的微针凸台的顶面中心位置。
作为优选，所述的SU-8微针的高度为10～1000微米，SU-8微针基部的直径为10～500微米，柔性微针电极阵列上相邻的两个柔性微针电极点的中心间距为20～1000微米；SU-8凸台的高度为1～100微米，微针凸台的长度和宽度均要大于SU-8微针的基部直径。
作为优选，顶部覆盖有上绝缘层；聚合物绝缘层与上绝缘层为一体式结构。
第二方面，本发明提供该高密度自绝缘的柔性微针电极的制备方法，其具体步骤如下：
1)在衬底上沉积一层聚合物作为下绝缘层。
2)在下绝缘层上旋涂一层SU-8光刻胶，并进行正面曝光，形成微针凸台、导线凸台和焊盘凸台。
3)再次旋涂一层SU-8光刻胶，并进行背面曝光，在微针凸台上形成SU-8微针。
4)沉积一层金属，在微针凸台、导线凸台和焊盘凸台上的金属层在台阶处自绝缘，形成独立的导电通道。
5)沉积一层聚合物作为上绝缘层。
6)在上绝缘层上旋涂正性光刻胶并光刻图形化为掩模，随后使用RIE去除上绝缘层在导电通道的金属导电焊盘上方的部分。
7)旋涂厚光刻胶作为掩模，使得光刻胶完全覆盖SU-8微针。
8)使用RIE刻蚀光刻胶，使得SU-8微针的尖端露出，其余部分依旧被光刻胶覆盖。随后，利用RIE将上绝缘层在SU-8微针尖端的部分去除。
9)将形成的柔性微针电极从石英玻璃片上释放下来。
作为优选，所述的衬底采用石英玻璃片。
作为优选，形成上绝缘层和下绝缘层的聚合物采用paryleneC或PI。
作为优选，步骤4)中沉积的金属的成分为金、铂、铱及其合金中的一种或多种。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过结合SU-8正面和背面曝光工艺，形成上大下小的倒梯形SU-8凸台结构和位于SU-8凸台上的SU-8微针，利用内凹的台阶处，巧妙地实现了微针电极阵列各个通道之间的电气绝缘，避免了非平面结构的光刻图形化和金属刻蚀问题。
2、本发明利用厚光刻胶RIE减薄技术实现SU-8微针尖端的精确暴露，从而在三维结构难以光刻图像化的情况下，精准去除SU-8微针尖端的绝缘层，暴露出电极点，并避免RIE对上绝缘层其他位置造成损伤。
3、本发明通过采用SU-8微针结构作为微针电极的记录和刺激电极点，使得微针电极能够刺入组织不同深度进行电生理记录和刺激，大大提高了微针电极的空间分辨率。
4、本发明通过采用聚合物作为微针电极阵列的绝缘层，使得器件具有良好的柔性，从而提高微针电极阵列与组织的贴附性，并降低微针与组织的机械失配，减小组织的胶质反应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中柔性微针电极阵列的示意图；
图3为本发明中柔性微针电极点的示意图；
图4为本发明中金属导线所在位置的剖视图(图3中A部分的截面图)；
图5为本发明的制备工艺流程图。
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、2、3和4所示，一种高密度自绝缘的柔性微针电极，包括下绝缘层12、上绝缘层11、设置在下绝缘层12上的SU-8凸台，以及设置在SU-8凸台上的金属导电焊盘1、金属导线2和柔性微针电极阵列3。SU-8凸台包括微针凸台7、导线凸台10和焊盘凸台。多个微针凸台7与对应数量的多个焊盘凸台分别通过对应的导线凸台10连接起来。微针凸台7、导线凸台10和焊盘凸台的纵截面均为上大下小的倒梯形；该倒梯形的SU-8凸台能够使得，在下绝缘层12上沉积金属时，SU-8凸台上的金属层与SU-8凸台下的金属层自动绝缘。
多个金属导电焊盘1、多条金属导线2和柔性微针电极阵列3分别设置在对应的焊盘凸台、导线凸台10和微针凸台7上。金属导线2将微针电极阵列3与对应的各个金属导电焊盘1分别连接在一起，从而将微针电极采集到的电生理信号传递给记录系统，或将刺激系统的刺激信号传递给生物组织。利用SU-8凸台自绝缘的特性，自动实现了金属导电焊盘1、金属导线2和柔性微针电极阵列3与下绝缘层12上其他位置的金属层的自绝缘，从而形成独立的能实现信息采集或电刺激的导电通道8(由一个金属导电焊盘1、一条金属导线2和一个柔性微针电极点组成)。
如图1所示，柔性微针电极阵列3包括在电极尖端呈矩阵状排列的多个柔性微针电极点。柔性微针电极包括由内至外依次排列的SU-8微针4、导电金属层5和聚合物绝缘层6。SU-8微针4设置在对应的微针凸台7的顶面中心位置，且其底面完全在微针凸台7的顶面范围内。聚合物绝缘层6与上绝缘层11为一体式结构；聚合物绝缘层6包裹在导电金属层5的外侧，且露出导电金属层5的尖端，用以实现信息采集或电刺激。导电金属层5在微针基部凸台7的台阶处实现自绝缘，从而形成独立的微针电极阵列3结构。
如图1所示，SU-8凸台是通过SU-8光刻胶的正面曝光形成的倒梯形结构；而SU-8微针4则是通过SU-8光刻胶的背面曝光形成的正锥形结构。SU-8微针4的高度在10到1000微米范围内，SU-8微针4基部的直径在10～500微米范围内，柔性微针电极阵列3上相邻的两个柔性微针电极点的中心间距在20～1000微米范围内；SU-8凸台的高度在1-100微米范围内，微针凸台7的长度和宽度均要大于SU-8微针的基部直径。
如图1所示，上绝缘层11在柔性微针电极点的尖端处以及金属导电焊盘1的上方均设置有暴露的窗口，分别用于实现与生物组织和外界电路的电学连接。上绝缘层11上需要暴露窗口的位置通过RIE(反应离子刻蚀)去除。
如图1所示，金属导电焊盘1是通过ACF(各向异性导电胶)热压键合或通过低熔点合金贴片实现键合。
实施例1
如图5所示，该高密度自绝缘的柔性微针电极的制备方法的具体步骤如下：
1)如图5的a部分所示，使用石英玻璃片作为衬底，将衬底依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放在180℃热板上烘烤15分钟。
2)如图5的b部分所示，使用CVD(化学气相沉积系)沉积一层10微米厚的paryleneC作为下绝缘层。
3)如图5的c部分所示，使用甩胶机在下绝缘层上旋涂一层10微米厚的SU-8光刻胶并进行正面光刻图形化，形成纵截面呈倒梯形的微针凸台、导线凸台10和焊盘凸台7结构。
4)如图5的d部分所示，使用甩胶机在石英玻璃片上旋涂一层200微米厚的SU-8光刻胶并进行背面光刻图形化，形成SU-8微针4结构。
5)如图5的e部分所示，在下绝缘层12、微针凸台、导线凸台10和焊盘凸台7和SU-8微针4上使用电子束蒸发系统沉积一层金属作为微针电极阵列、金属导线和金属导电焊盘的导电层和位于下绝缘层12上的金属屏蔽层9；导电层与金属屏蔽层9在倒梯形凸台作用下自绝缘。该导电层为Ti/Au，其厚度分别为20/300纳米。
6)如图5的f部分所示，使用CVD(化学气相沉积系)在导电层和金属屏蔽层9上沉积一层5微米厚的paryleneC作为上绝缘层11。
7)在上绝缘层11上旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，暴露出焊盘区域；随后使用RIE刻蚀掉焊盘上方的上绝缘层11。
8)如图5的g部分所示，在石英玻璃片上多次旋涂厚胶，直到光刻胶完全覆盖住SU-8微针。
9)如图5的h部分所示，使用RIE刻蚀光刻胶，直至暴露出各SU-8微针的尖端部分。随后，继续使用RIE将SU-8微针尖端上的paryleneC去除，暴露出SU-8微针尖端的导电层，形成电极点。
10)如图5的i部分所示，使用丙酮去除步骤8)旋涂的剩余光刻胶，使用激光切割系统将柔性微针电极图形化，接着利用水凝胶带将柔性微针电极从石英玻璃片上释放下来。
实施例2
如图5所示，步骤的具体过程如下：
1)如图5的a部分所示，使用石英玻璃片作为衬底，将衬底依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放在180℃热板上烘烤15分钟。
2)如图5的b部分所示，在石英玻璃片上旋涂一层PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)作为牺牲层，接着在PMMA牺牲层上旋涂一层5微米厚的PI(聚酰亚胺胶)并固化后作为下绝缘层。
3)如图5的c部分所示，使用甩胶机在下绝缘层上旋涂一层10微米厚的SU-8光刻胶并进行正面光刻图形化，形成微针凸台，导线凸台和焊盘凸台结构。
4)如图5的d部分所示，使用甩胶机在石英玻璃片上旋涂一层200微米厚的SU-8光刻胶并进行背面光刻图形化，形成SU-8微针结构。
5)如图5的e部分所示，使用电子束蒸发系统沉积一层金属作为微针电极阵列，金属导线和金属导电焊盘的导电层。该导电层为Ti/PtIr，其厚度分别为20/300纳米。
6)如图5的f部分所示，使用甩胶机在金属层上旋涂5微米厚的PI(聚酰亚胺胶)并固化后作为上绝缘层。
7)在上绝缘层上旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，暴露出焊盘区域；随后使用RIE刻蚀掉焊盘上方的上绝缘层。
8)如图5的g部分所示，多次旋涂厚胶，直到光刻胶完全覆盖住SU-8微针结构。
9)如图5的h部分所示，使用RIE刻蚀光刻胶，直至暴露出各SU-8微针的尖端。随后，继续使用RIE将SU-8微针尖端上的PI去除，暴露出SU-8微针尖端的导电层，形成电极点。
10)如图5的i部分所示，使用激光切割系统将柔性微针电极图形化，接着利用水凝胶带将柔性微针电极从石英玻璃片上释放下来。
实施例3
如图5所示，步骤的具体过程如下：
1)如图5的a部分所示，使用石英玻璃片作为衬底，将衬底依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放在180℃热板上烘烤15分钟。
2)如图5的b部分所示，使用CVD(化学气相沉积系)在石英玻璃片上沉积一层5微米厚的paryleneC作为牺牲层，接着在paryleneC牺牲层上旋涂一层5微米厚的PI(聚酰亚胺胶)并固化后作为下绝缘层。
3)如图5的c部分所示，使用甩胶机在下绝缘层上旋涂一层10微米厚的SU-8光刻胶并进行正面光刻图形化，形成微针凸台，导线凸台和焊盘凸台结构。
4)如图5的d部分所示，使用甩胶机在石英玻璃片上旋涂一层200微米厚的SU-8光刻胶并进行背面光刻图形化，形成SU-8微针结构。
5)如图5的e部分所示，使用电子束蒸发系统沉积一层金属作为微针电极阵列，金属导线和金属导电焊盘的导电层。该导电层为Ti/PtIr，其厚度分别为20/300纳米。
6)如图5的f部分所示，使用甩胶机在金属层上旋涂3微米厚的PI(聚酰亚胺胶)并固化后作为上绝缘层。接着，使用CVD(化学气相沉积系)在PI上沉积一层2微米厚的parylene C作为防水层。
7)在上绝缘层上旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行光刻图形化，暴露出焊盘区域；随后使用RIE刻蚀掉焊盘上方的上绝缘层。
8)如图5的g部分所示，多次旋涂厚胶，直到光刻胶完全覆盖住SU-8微针结构。
9)如图5的h部分所示，使用RIE刻蚀光刻胶，直至暴露出各SU-8微针的尖端。随后，继续使用RIE将SU-8微针尖端上的上绝缘层去除，暴露出微针尖端导电层，形成电极点。
10)如图5的i部分所示，使用激光切割系统将柔性微针电极图形化，接着利用水凝胶带将柔性微针电极从石英玻璃片上释放下来。
Claims (10)
1.一种高密度自绝缘的柔性微针电极，包括下绝缘层(12)，其特征在于：还包括设置在下绝缘层(12)上的SU-8凸台，以及设置在SU-8凸台上的金属导电焊盘(1)、金属导线(2)和柔性微针电极阵列(3)；SU-8凸台包括微针凸台(7)、导线凸台(10)和焊盘凸台；多个微针凸台(7)与对应数量的多个焊盘凸台分别通过对应的导线凸台(10)连接起来；微针凸台(7)、导线凸台(10)和焊盘凸台的纵截面均为上大下小的倒梯形；多个金属导电焊盘(1)、多条金属导线(2)和柔性微针电极阵列(3)分别设置在对应的焊盘凸台、导线凸台(10)和微针凸台(7)上，通过SU-8凸台内凹的台阶形成自绝缘结构；微针电极阵列(3)与各个金属导电焊盘(1)分别通过对应的金属导线(2)导通。
2.根据权利要求1所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其特征在于：所述的SU-8凸台通过旋涂SU-8光刻胶后的正面曝光工艺形成；所述的SU-8微针(4)通过旋涂SU-8光刻胶后的背面曝光工艺形成。
3.根据权利要求1或2所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其特征在于：所述的柔性微针电极阵列(3)包括呈多个柔性微针电极点；柔性微针电极点包括由内至外依次排列的SU-8微针(4)、导电金属层(5)和聚合物绝缘层(6)；SU-8微针(4)设置在对应的微针凸台(7)上；导电金属层(5)的尖端处暴露在聚合物绝缘层(6)外。
4.根据权利要求3所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其特征在于：在柔性微针电极上，通过去除聚合物绝缘层(6)尖端部分的方式，实现导电金属层(5)尖端的露出；具体操作为旋涂光刻胶至完全覆盖柔性微针电极阵列；通过RIE刻蚀使得聚合物绝缘层(6)的尖端露出并被去除；去除剩余光刻胶后形成导电金属层(5)尖端露出的柔性微针电极点。
5.根据权利要求3所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其特征在于：所述的SU-8微针(4)设置在对应的微针凸台(7)的顶面中心位置；所述的SU-8微针(4)的高度为10～1000微米，SU-8微针(4)基部的直径为10～500微米，柔性微针电极阵列(3)上相邻的两个柔性微针电极点的中心间距为20～1000微米；SU-8凸台的高度为1～100微米，微针凸台的长度和宽度均要大于SU-8微针的基部直径。
6.根据权利要求3所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极，其特征在于：顶部覆盖有上绝缘层(11)；聚合物绝缘层(6)与上绝缘层(11)为一体式结构。
7.如权利要求3所述的一种高密度自绝缘的柔性微针电极的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
1)在衬底上沉积一层聚合物作为下绝缘层；
2)在下绝缘层上旋涂一层SU-8光刻胶，并进行正面曝光，形成微针凸台(7)、导线凸台(10)和焊盘凸台；
3)再次旋涂一层SU-8光刻胶，并进行背面曝光，在微针凸台(7)上形成SU-8微针；
4)沉积一层金属，在微针凸台(7)、导线凸台(10)和焊盘凸台上的金属层在台阶处自绝缘，形成独立的导电通道；
5)沉积一层聚合物作为上绝缘层；
6)在上绝缘层上旋涂正性光刻胶并光刻图形化为掩模，随后使用RIE去除上绝缘层在导电通道的金属导电焊盘(1)上方的部分；
7)旋涂厚光刻胶作为掩模，使得光刻胶完全覆盖SU-8微针；
8)使用RIE刻蚀光刻胶，使得SU-8微针的尖端露出，其余部分依旧被光刻胶覆盖；随后，利用RIE将上绝缘层在SU-8微针尖端的部分去除；
9)将形成的柔性微针电极从石英玻璃片上释放下来。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的衬底采用石英玻璃片。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：形成上绝缘层和下绝缘层的聚合物采用parylene C或PI。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤4)中沉积的金属的成分为金、铂、铱及其合金中的一种或多种。
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