CN114767122A - 具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列 - Google Patents

具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列。现有的神经光电极大多采用贴片机将激光二极管和光波导进行直接耦合来实现光刺激。然而，这种光耦合方式使得激光二极管的对准困难且光损耗较大。此外，位于电极基部上方凸起的激光二极管也不利于神经光电极通过堆叠进行三维集成。本发明采用梯度折射率透镜对激光二极管的光束进行聚焦和准直，从而提高其与光波导之间的光耦合效率。另外，通过利用异平面电镀键合技术，实现了激光二极管在平面内无凸起的键合，解决了神经光电极的三维堆叠关键问题，为神经科学研究提供更为精准的神经调控工具。

Description

具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列
技术领域
本发明属于脑机接口技术领域，具体涉及一种具有激光二极管耦合光波导结构的用于神经记录和光刺激的三维神经光电极阵列及其制备方法。
背景技术
脑机接口智能系统是一个双向闭环系统，它不仅需要完成大脑信息的读取，还要进行计算机指令的写入。因此，作为关键器件的神经微电极通常需要同时具备记录(读)和刺激(写)的功能。传统的密西根电极或聚合物电极在进行电刺激时容易因为电极的极化对神经元造成损伤，且由于电流的分散特性导致其刺激空间分辨率较低。目前，基于光遗传学技术的神经光刺激可以有效解决以上难题。光遗传学通过向特定的细胞中引入光敏蛋白以使其能够对光刺激产生动作电位响应。由于光线和病毒的作用范围可以限制在很小的区域内，这使得光刺激具有比电刺激更高的空间分辨率。因此，开展神经微电极阵列的光电多功能集成研究，对于实现高时空分辨率且双向闭环的神经调控具有重要意义。
为实现神经微电极阵列的光电多功能集成，目前常采用的办法就是将记录电极与光纤、光波导、LD(激光二极管)/LED(发光二极管)进行集成。早期的研究主要是通过将柔性神经微电极贴附在光纤表面来实现光刺激和电记录。然而，这些方法会造成光纤缠绕从而限制行为动物的自由移动。为避免使用光纤，美国伊利诺伊大学的J.A.Rogers教授团队将4个激光剥离蓝宝石基微LED转印到柔性聚合物探针上，实现了柔性可注射微LED光刺激功能[Kim T.,McCall J.G.,Jung Y.H.,et al.Injectable,cellular-scale optoelectronicswith applications for wireless optogenetics.Science,2013,340(6129):211-6.]。天津大学的黄显教授团队将4个蓝光微LED集成到柔性聚合物探针上，同时实现了多个脑区的光/电刺激以及电生理信号和离子浓度的记录[Ling W.,Yu J.,Ma N.,et al.FlexibleElectronics and Materials for Synchronized Stimulation and Monitoring inMulti-Encephalic Regions[J].Advanced Functional Materials,2020:2002644.]。尽管微LED神经光电极的出现使其对神经元进行光刺激的灵活性得到了提高，但是有源器件的植入也在记录通道附近引入了噪声以及热损伤。为此，美国劳伦斯利福摩尔国家实验室的K.Kampasi团队利用柔性聚合物光波导将位于电极基部的LD发出的光引入到柔性探针的尖端进行光刺激[Kampasi K.,Alameda J.,Sahota S.,et al.Design andmicrofabrication strategies for thin-film,flexible optical neural implant[C].Annual International Conference ofthe IEEE EMBC.IEEE,2020:4314-4317.]。该柔性神经微电极的光波导由Cytop(全氟聚合物)包层和EpoCore(聚甲基丙烯酸甲酯基材料)芯层构成，通过与基部的LD进行耦合后可实现光刺激。LD耦合光波导结构可以避免有源器件植入带来的热损伤，但是这种直接耦合带来的光损耗较大，且凸起在电极基部上方的LD也不利于通过堆叠进行三维集成。本发明采用梯度折射率透镜来提高LD和光波导之间的光耦合效率，并利用LD的平面内键合技术，解决了神经光电极的三维集成关键问题。本专利的发明内容可为神经科学研究提供更为精准的神经调控工具。
发明内容
本发明针对现有LD耦合光波导结构神经光电极的光耦合效率低且难以实现三维高密度集成的缺点，使用梯度折射率透镜作为LD和光波导之间的耦合介质来提高光耦合效率，并利用LD的异平面电镀工艺来实现光电极的三维高密度集成。通过三维多功能光电集成，同时提高神经光电极对神经元调控的时空分辨率的空间探测范围。
该具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，包括依次层叠设置的多个神经光电极；每个神经光电极均包括电极基部、并依次间隔排列设置的多个神经探针，以及安装在电极基部的侧部，且数量与神经探针的数量一致的光源模块。每个神经探针均设置有记录电极点和光刺激点；光刺激点通过光波导与对应的光源模块连接。
所述的光源模块包括光耦合基座、LD激光器和梯度折射率透镜。光耦合端口设置在光波导的端部。光耦合基座包括单晶硅层、氧化层和LD供电焊盘。单晶硅层与氧化层层叠设置。两个LD供电焊盘间隔设置在单晶硅层的外侧面上。两个LD供电焊盘均连接有电镀焊盘。单晶硅层的外侧面上设置有连接在一起的LD定位槽和透镜定位槽。LD定位槽位于两个电镀焊盘之间。
所述LD激光器、梯度折射率透镜分别安装在LD定位槽和透镜定位槽内。LD激光器的出光口与梯度折射率透镜的一端对接。梯度折射率透镜的另一端与对应的光波导通过光耦合端口耦合。LD激光器上的两个输入焊盘分别朝向LD定位槽的两侧壁，并留有间隙。位于LD激光器同一侧的输入焊盘与电镀焊盘通过电镀形成的金纳米颗粒导通。
作为优选，所述电极基部和多个神经探针为一体化结构，共同组成光电极主体；光电极主体包括依由下至上依次层叠设置的硅衬底、下绝缘层、记录导电层、上绝缘层和光刺激层。记录导电层位于下绝缘层和上绝缘层之间，其包括n组电连接的记录电极点、记录导线和记录焊盘结构；每组记录电极点、记录导线和记录焊盘结构中包括一个或多个记录电极点；光刺激层包括n条光波导。n为神经光电极上神经探针的数量。n个记录电极点分别位于n根神经探针的尖端；n条光波导的一端分别位于n根神经探针的尖端位置，形成神经探针的光刺激点；n条光波导的另一端分别延伸至电极基部，并与对应的光源模块耦合。
作为优选，各记录焊盘通过记录软排线引出。
作为优选，所述电极基部两侧边缘均设置有若干个插槽；各插槽的中间位置均设置有光耦合端口。插槽的数量与光源模块的数量一致；光源模块的端部设置有卡接凸起；光源模块的卡接凸起插接在电极基部的对应插槽上。透镜定位槽远离LD定位槽的端部贯穿卡接凸起，并与对应的光波导端部对齐。
作为优选，所述光源模块上的卡接凸起设置在光耦合基座的端部。
作为优选，所述LD供电焊盘通过刺激软排线引出。
作为优选，所述LD激光器具有长方体结构，其尺寸为600×150×90μm3。LD激光器的两个输入焊盘位于LD激光器的两个面积最大的相对侧面上。
作为优选，所述光波导的截面呈矩形，且截面积不大于10000μm2。
作为优选，所述梯度折射率透镜为圆柱形，其直径为100～1000μm。
该具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1：使用包括光刻、反应离子刻蚀、深硅刻蚀、等离子增强化学气相沉积、溅射、离子束刻蚀等工艺实现神经探针、电极基部和光波导的制备。
S2：制备光源模块，利用LD定位槽和透镜定位槽实现LD激光器与梯度折射率透镜的对准和固定，并通过光耦合基座和光耦合端口之间的对准，实现梯度折射率透镜与光波导之间的光耦合。
S3：利用对准模具将多个神经光电极进行堆叠后固定，实现二维神经光电极的三维集成。
作为优选，步骤S1的具体过程如下：
(1)使用SOI硅片作为衬底，将硅片进行彻底清洗后烘干备用。
(2)使用PECVD系统在SOI硅片正面沉积一层介质层作为下绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在下绝缘层上沉积一层金属层作为记录导电层。
(4)使用光刻机将旋涂在金属层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(5)使用离子束刻蚀系统将金属层图形化为记录电极点、记录导线和记录焊盘结构。
(6)使用PECVD系统在记录导电层上沉积一层介质层作为上绝缘层。
(7)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(8)使用反应离子刻蚀系统将上绝缘层开窗，暴露出记录电极点和记录焊盘结构。
(9)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(10)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的上绝缘层和下绝缘层清除。
(11)使用深硅刻蚀系统将暴露出的顶层硅清除，形成神经光电极的正面轮廓线。
(12)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光敏聚合物图形化为光波导结构。
(13)使用甩胶机在SOI硅片的正面旋涂一层光刻胶作为保护层。然后，使用光刻机将旋涂在SOI背面的光刻胶图形化为掩模结构。
(14)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面氧化层清除。
(15)使用深硅刻蚀系统将暴露出的底层硅清除。
(16)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面埋氧层清除。随后，把SOI放入丙酮中去胶。
作为优选，步骤S2的具体过程如下：
(1)使用氧化硅片作为衬底，先后进行溅射、光刻图形化、离子束刻蚀和深硅刻蚀来实现光耦合基座的微加工制备。
(2)使用贴片机将LD激光器沿着焊盘所在的面放进LD定位槽，使其出光口朝向梯度折射率透镜。
(3)使用电镀笔在LD激光器的输入焊盘与光耦合基座上的电镀焊盘之间电镀金纳米颗粒，使得LD激光器的输入焊盘与对应的电镀焊盘导通。
(4)将梯度折射率透镜放入光耦合基座上的定位槽内，使其与LD激光器对准后固定。
(5)使用热压机将ACF导电胶贴附在LD供电焊盘上。
(6)使用热压机将记录软排线与LD供电焊盘键合在一起，实现各向异性导通。
作为优选，步骤S3的具体过程如下：
(1)将光耦合基座插入到电极基部的光耦合端口中并用环氧树脂胶水固定，实现梯度折射率透镜与光波导的光耦合。
(2)将多个神经光电极放入对准模具中进行堆叠和对准。随后，使用瞬干胶将相邻的神经光电极进行固定。
(3)将完成堆叠和固定的神经光电极阵列从模具中取出。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明将输入焊盘朝向左右两侧的姿态装入到对应的定位槽中，并采用异平面焊盘的电镀键合工艺实现了相互垂直的LD激光器的输入焊盘与光耦合基座上的电镀焊盘之间的导通，使得LD激光器键合与集成在光耦合基座的内部，克服了LD激光器凸起在电极基部导致光电极难以堆叠的问题，使得基于LD耦合光波导结构的神经光电极的三维集成具有更高的堆叠密度和灵活性。
2、本发明使用梯度折射率透镜作为LD和光波导之间的耦合介质，可以大大提高光耦合效率，降低LD与光波导之间的光耦合损耗。
3、本发明将光耦合基座与电极基部进行分离设计，通过增大LD和记录通道的距离可以大大降低LD工作时产生的电磁辐射对记录电极点的干扰。
附图说明
图1为本发明提供的三维神经光电极阵列的整体结构示意图；
图2为本发明中神经探针和电极基部的截面示意图；
图3为本发明中光耦合基座的立体示意图；
图4为本发明中输入焊盘与电镀焊盘的异平面电镀键合示意图。
图5为本发明中步骤S1的工艺流程图。
图6为本发明中步骤S2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所示，一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，包括依次层叠设置的多个神经光电极；每个神经光电极均包括电极基部2、并依次间隔排列设置的多个神经探针1，以及安装在电极基部2且数量与神经探针1的数量一致的光源模块3。每个光源模块3均为对应的一个神经探针1尖端的光刺激点提供光信号。从而形成具有空间结构的三维神经光电极阵列。电极基部2两侧边缘均设置有若干个插槽；各插槽的中间位置均设置有光耦合端口6。插槽的数量与光源模块3的数量一致；光源模块3的端部设置有卡接凸起；光源模块3的卡接凸起插接在电极基部2的对应插槽上。实现分离设计的光源模块3与电极基部2的对接。
如图2所示，电极基部2和多个神经探针1为一体化结构，共同组成光电极主体；光电极主体包括依由下至上依次层叠设置的硅衬底12、下绝缘层13、记录导电层14、上绝缘层15和光刺激层16。记录导电层14位于下绝缘层13和上绝缘层15之间，其包括n组电连接的记录电极点4、记录导线和记录焊盘结构；各记录焊盘通过记录软排线7引出；从而将神经探针1处的神经信号传输给电极基部2的记录软排线7。光刺激层16包括n条光波导5。n为一个神经光电极上的神经探针1数量。
n个记录电极点4分别位于n根神经探针1的尖端；n条光波导5的一端分别位于n根神经探针1的尖端位置，形成神经探针1的光刺激点；n条光波导5的另一端分别延伸至电极基部2的n个插槽中间位置的光耦合端口6处；光波导5用以实现激光在神经探针1和电极基部2上的高效传输。光波导5在神经探针1呈直线布置；光波导5在电极基部2呈弯曲布置，从而使得光信号能够从电极基部2的两侧输入后，从各神经探针1的尖端输出。
光源模块3包括光耦合基座8、LD激光器9、梯度折射率透镜10和刺激软排线11。光耦合端口6设置在光波导5的端部。光源模块3上的卡接凸起设置在光耦合基座8的端部。
如图3所示，光耦合基座8包括单晶硅层17、氧化层18和LD供电焊盘21。单晶硅层17与氧化层18层叠设置。两个LD供电焊盘21间隔设置在单晶硅层17的外侧面上。两个LD供电焊盘21的边缘处均连接有电镀焊盘23。LD供电焊盘21和电镀焊盘23通过一次图形化形成。单晶硅层17远离氧化层18的一侧设置有连接在一起的LD定位槽20和透镜定位槽19。LD定位槽20位于两个电镀焊盘23之间。透镜定位槽19远离LD定位槽20的端部贯穿卡接凸起，并与对应的光波导5端部对齐。氧化层18为LD供电焊盘21提供绝缘介质。
LD激光器9、梯度折射率透镜10分别安装在LD定位槽20和透镜定位槽19内。LD激光器9的出光口与梯度折射率透镜10的一端对接。梯度折射率透镜10的另一端与对应的光波导5通过光耦合端口6耦合。分别位于LD激光器9相对侧面的两个输入焊盘22与LD定位槽20的两侧壁分别正对设置且留有间隙。LD激光器9上的两个输入焊盘22用于为LD激光器9供电。因此，输入焊盘22与电镀焊盘23分别处于两个相互垂直的平面上且中间存在间隙；位于LD激光器9同一侧的输入焊盘22与电镀焊盘23通过电镀形成的金纳米颗粒24导通，从而实现输入焊盘22与电镀焊盘23之间的异平面导通，克服了现有技术中LD激光器9的两个输入焊盘只能水平设置在电极基部的侧面上，导致电极基部存在明显凸起，多个光电极无法堆叠的问题。
LD供电焊盘21通过刺激软排线11引出，从而实现LD激光器9的控制。神经光电极利用刺激软排线11给LD激光器9供电使其发射出激光。从LD激光器9发射出的激光经过梯度折射率透镜10的聚焦后射入位于光耦合端口6的光波导5的入口。激光经过位于电极基部2和神经探针1上的光波导5传输后到达神经探针1的尖端，从而实现对神经元的光刺激。随后，位于光波导5出口附近的记录电极点4将光诱发的神经电信号，经由记录导线和记录焊盘传输到位于电极基部2的记录软排线7中。
所述LD激光器9具有长方体结构，其尺寸为600×150×90μm3。两个输入焊盘22分别位于两个600μm×150μm的侧面上；LD激光器9发射出的激光束垂直于LD激光器9的端面。
所述光波导5的截面呈矩形，且截面积不大于10000μm2。
所述梯度折射率透镜10呈圆柱形，且直径为100μm～1000μm。
所述LD激光器9完全位于LD定位槽20内部，或部分伸出LD定位槽20外；梯度折射率透镜10完全位于透镜定位槽19内部，或部分伸出透镜定位槽19外。
所述的记录软排线7和刺激软排线11均通过各向异性导电胶(ACF)与其下方的金属焊盘实现导通。
实施例1
该具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1：使用包括光刻、反应离子刻蚀、深硅刻蚀、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、溅射、离子束刻蚀的工艺实现神经探针、电极基部和光波导的制备。
S2：制备光源模块3；利用LD定位槽和透镜定位槽实现LD激光器与梯度折射率透镜的对准和固定，并通过光耦合基座和光耦合端口6之间的对准，实现梯度折射率透镜与光波导之间的光耦合。
S3：利用对准模具将多个集成LD耦合光波导结构的神经光电极进行堆叠后固定，实现二维神经光电极的三维高密度集成。
作为优选，步骤S1的具体过程如图4所示：
(1)使用SOI硅片(顶硅层10-50微米，埋氧层0.5-2微米，底硅层200-500微米)作为衬底，将硅片依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟。然后，用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。
(2)使用PECVD系统在SOI硅片正面沉积一层1微米厚的氧化硅作为下绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在下绝缘层上沉积一层铬/金(30/300nm)金属层作为记录导电层。
(4)在SOI硅片正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘，随后使用光刻机将光刻胶图形化为离子束刻蚀的掩模结构。
(5)使用离子束刻蚀系统将金属层图形化为记录电极点、记录导线和记录焊盘结构。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，在热板上烘干后备用。
(6)使用PECVD系统在记录导电层上沉积一层1微米厚的氧化硅介质层作为上绝缘层。
(7)在SOI硅片的正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将光刻胶图形化为反应离子刻蚀的掩模结构。
(8)使用反应离子刻蚀系统将上绝缘层开窗，暴露出记录电极点和记录焊盘结构。
(9)在SOI硅片正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将光刻胶图形化为反应离子刻蚀的掩模结构。
(10)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的上绝缘层和下绝缘层清除。
(11)使用深硅刻蚀系统将暴露出的顶层硅清除，形成神经光电极的正面轮廓线。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，在热板上烘干后备用。
(12)在SOI硅片正面旋涂1-100微米厚的负性SU-8光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将SU-8光刻胶图形化为光波导结构。
(13)使用甩胶机在SOI硅片正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并烘烤后作为保护层。随后，在SOI硅片背面再次旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并前烘。接着，使用光刻机将光刻胶图形化为背面反应离子刻蚀的掩模结构。
(14)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面氧化硅清除。
(15)使用深硅刻蚀系统将暴露出的底层硅清除。
(16)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面埋氧层清除。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，将释放下来的神经光电极放在热板上烘干后备用。
如图5所示，步骤S2的具体过程如下：
(1)使用氧化硅片(单晶硅厚300-500微米，氧化层厚0.5-2微米)作为衬底，在硅片上溅射一层铬/金(30/300nm)，形成金属层。随后，利用光刻图形化和离子束刻蚀将金属层图形化为LD供电焊盘和电镀焊盘。接着，利用光刻图形化和深硅刻蚀来形成LD定位槽和透镜定位槽结构。
(2)使用贴片机将LD激光器放入LD定位槽，使其出光口朝向梯度折射率透镜。
(3)使用电镀笔在LD激光器两侧的输入焊盘与光耦合基座上的两个电镀焊盘之间分别电镀金纳米颗粒，使得LD激光器两侧的输入焊盘与两个电镀焊盘分别导通。
(4)将梯度折射率透镜放入光耦合基座上的透镜定位槽内使其与LD激光器的出光口对准。随后，使用紫外光固化胶水将梯度折射率透镜与透镜定位槽固定。
(5)使用热压机将ACF导电胶贴附在LD供电焊盘上。具体步骤为：使用胶带将光耦合基座固定在载玻片上；将ACF导电胶贴附在LD供电焊盘上方；将载玻片放在热压机的压头正下方，使压头与ACF导电胶对齐；调节热压机的压力为0.14MPa，温度为140℃，热压时间为3秒，开始进行预压。完成预压后，撕下ACF表层的隔离膜。
(6)使用热压机将记录软排线与LD供电焊盘键合在一起，实现各向异性导通。具体步骤为：将记录软排线的焊盘与LD供电焊盘对准后通过ACF贴附在一起；将载玻片放在热压机的压头正下方，使压头与ACF对齐；调节热压机的压力0.18MPa，温度为240℃，热压时间为18秒，进行本压。
步骤S3的具体过程如下：
(1)将光耦合基座插入到电极基部的光耦合端口中并用环氧树脂胶水固定，实现梯度折射率透镜与光波导的光耦合。
(2)将多个神经光电极放入对准模具中进行堆叠和对准，随后使用瞬干胶将相邻的神经光电极进行固定。
(3)将完成堆叠和固定的神经光电极阵列从模具中取出。
实施例2
一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，本实施例与实施例1的区别在于：步骤S1的过程不同；
本实施例中步骤S1的具体过程如图4所示：
(1)使用SOI硅片(顶硅层10-50微米，埋氧层0.5-2微米，底硅层200-500微米)作为衬底，将硅片依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟。然后，用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。
(2)使用PECVD系统在SOI硅片正面沉积一层0.2微米厚的氮化硅作为下绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在下绝缘层上沉积一层钛/金(30/300nm)金属层作为记录导电层。
(4)在SOI硅片正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘，随后使用光刻机将光刻胶图形化为离子束刻蚀的掩模结构。
(5)使用离子束刻蚀系统将金属层图形化为记录电极点、记录导线和记录焊盘结构。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，在热板上烘干后备用。
(6)使用PECVD系统在金属层上沉积一层0.8微米厚的氧化硅介质层作为上绝缘层。
(7)在SOI硅片正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将光刻胶图形化为反应离子刻蚀的掩模结构。
(8)使用反应离子刻蚀系统将上绝缘层开窗，暴露出记录电极点和记录焊盘结构。
(9)在SOI硅片正面旋涂5微米厚的正性光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将光刻胶图形化为反应离子刻蚀的掩模结构。
(10)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的上绝缘层和下绝缘层清除。
(11)使用深硅刻蚀系统将暴露出的顶层硅清除，形成正面电极轮廓线。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，在热板上烘干后备用。
(12)在SOI硅片正面旋涂1-100微米厚的负性EpoCore光刻胶并进行前烘。随后，使用光刻机将EpoCore光刻胶图形化为光波导结构。
(13)使用甩胶机在SOI硅片正面旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并烘烤后作为保护层。随后，在SOI硅片背面再次旋涂一层5微米厚的正性光刻胶并前烘。接着，使用光刻机将光刻胶图形化为背面反应离子刻蚀的掩模结构。
(14)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面氧化硅清除。
(15)使用深硅刻蚀系统将暴露出的底层硅清除。
(16)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面埋氧层清除。随后，将SOI硅片放入丙酮中去胶并在乙醇和去离子水中清洗。最后，将释放下来的神经光电极放在热板上烘干后备用。
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)

1.一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，包括依次层叠设置的多个神经光电极；其特征在于：每个神经光电极均包括电极基部(2)、并依次间隔排列设置的多个神经探针(1)，以及安装在电极基部(2)的侧部，且数量与神经探针(1)的数量一致的光源模块(3)。每个神经探针(1)均设置有记录电极点(4)和光刺激点；光刺激点通过光波导(5)与对应的光源模块(3)连接。
所述的光源模块(3)包括光耦合基座(8)、LD激光器(9)和梯度折射率透镜(10)。光耦合端口(6)设置在光波导(5)的端部。光耦合基座(8)包括单晶硅层(17)、氧化层(18)和LD供电焊盘(21)。单晶硅层(17)与氧化层(18)层叠设置。两个LD供电焊盘(21)间隔设置在单晶硅层(17)的外侧面上。两个LD供电焊盘(21)均连接有电镀焊盘(23)。单晶硅层(17)的外侧面上设置有连接在一起的LD定位槽(20)和透镜定位槽(19)。LD定位槽(20)位于两个电镀焊盘(23)之间。
所述LD激光器(9)、梯度折射率透镜(10)分别安装在LD定位槽(20)和透镜定位槽(19)内。LD激光器(9)的出光口与梯度折射率透镜(10)的一端对接。梯度折射率透镜(10)的另一端与对应的光波导(5)通过光耦合端口(6)耦合。LD激光器(9)上的两个输入焊盘(22)分别朝向LD定位槽(20)的两侧壁，并留有间隙。位于LD激光器(9)同一侧的输入焊盘(22)与电镀焊盘(23)通过电镀形成的金纳米颗粒(24)导通。
2.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述电极基部(2)和多个神经探针(1)为一体化结构，共同组成光电极主体；光电极主体包括依由下至上依次层叠设置的硅衬底(12)、下绝缘层(13)、记录导电层(14)、上绝缘层(15)和光刺激层(16)。记录导电层(14)位于下绝缘层(13)和上绝缘层(15)之间，其包括n组电连接的记录电极点(4)、记录导线和记录焊盘结构；光刺激层(16)包括n条光波导(5)。n为神经光电极上神经探针(1)的数量。n个记录电极点(4)分别位于n根神经探针(1)的尖端；n条光波导(5)的一端分别位于n根神经探针(1)的尖端位置，形成神经探针(1)的光刺激点；n条光波导(5)的另一端分别延伸至电极基部(2)，并与对应的光源模块(3)耦合。
3.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述电极基部(2)两侧边缘均设置有若干个插槽；各插槽的中间位置均设置有光耦合端口(6)。插槽的数量与光源模块(3)的数量一致；光源模块(3)的端部设置有卡接凸起；光源模块(3)的卡接凸起插接在电极基部(2)的对应插槽上。透镜定位槽(19)远离LD定位槽(20)的端部贯穿卡接凸起，并与对应的光波导(5)端部对齐。
4.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述光源模块(3)上的卡接凸起设置在光耦合基座(8)的端部。
5.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述LD激光器(9)具有长方体结构，其尺寸为600×150×90μm3。LD激光器(9)的两个输入焊盘(22)位于LD激光器(9)的两个面积最大的相对侧面上。
6.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述光波导(5)的截面呈矩形，且截面积不大于10000μm2。所述梯度折射率透镜(10)为圆柱形，其直径为100～1000μm。
7.如权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：使用包括光刻、反应离子刻蚀、深硅刻蚀、等离子增强化学气相沉积、溅射、离子束刻蚀等工艺实现神经探针、电极基部和光波导的制备。
S2：制备光源模块，利用LD定位槽和透镜定位槽实现LD激光器与梯度折射率透镜的对准和固定，并通过光耦合基座和光耦合端口之间的对准，实现梯度折射率透镜与光波导之间的光耦合。
S3：利用对准模具将多个神经光电极进行堆叠后固定，实现二维神经光电极的三维集成。
8.根据权利要求7所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，其特征在于：步骤S1的具体过程如下：
(1)使用SOI硅片作为衬底，将硅片进行彻底清洗后烘干备用。
(2)使用PECVD系统在SOI硅片正面沉积一层介质层作为下绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在下绝缘层上沉积一层金属层作为记录导电层。
(4)使用光刻机将旋涂在金属层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(5)使用离子束刻蚀系统将金属层图形化为记录电极点、记录导线和记录焊盘结构。
(6)使用PECVD系统在记录导电层上沉积一层介质层作为上绝缘层。
(7)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(8)使用反应离子刻蚀系统将上绝缘层开窗，暴露出记录电极点和记录焊盘结构。
(9)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光刻胶图形化为掩模结构。
(10)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的上绝缘层和下绝缘层清除。
(11)使用深硅刻蚀系统将暴露出的顶层硅清除，形成神经光电极的正面轮廓线。
(12)使用光刻机将旋涂在上绝缘层上的光敏聚合物图形化为光波导结构。
(13)使用甩胶机在SOI硅片的正面旋涂一层光刻胶作为保护层。然后，使用光刻机将旋涂在SOI背面的光刻胶图形化为掩模结构。
(14)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面氧化层清除。
(15)使用深硅刻蚀系统将暴露出的底层硅清除。
(16)使用反应离子刻蚀系统将暴露出的背面埋氧层清除。随后，把SOI放入丙酮中去胶。
9.根据权利要求7所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，其特征在于：步骤S2的具体过程如下：
(1)使用氧化硅片作为衬底，先后进行溅射、光刻图形化、离子束刻蚀和深硅刻蚀来实现光耦合基座的微加工制备。
(2)使用贴片机将LD激光器沿着焊盘所在的面放进LD定位槽，使其出光口朝向梯度折射率透镜。
(3)使用电镀笔在LD激光器的输入焊盘与光耦合基座上的电镀焊盘之间电镀金纳米颗粒，使得LD激光器的输入焊盘与对应的电镀焊盘导通。
(4)将梯度折射率透镜放入光耦合基座上的定位槽内，使其与LD激光器对准后固定。
(5)使用热压机将ACF导电胶贴附在LD供电焊盘上。
(6)使用热压机将记录软排线与LD供电焊盘键合在一起，实现各向异性导通。
10.根据权利要求7所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列的制备方法，其特征在于：步骤S3的具体过程如下：
(1)将光耦合基座插入到电极基部的光耦合端口中并用环氧树脂胶水固定，实现梯度折射率透镜与光波导的光耦合。
(2)将多个神经光电极放入对准模具中进行堆叠和对准。随后，使用瞬干胶将相邻的神经光电极进行固定。
(3)将完成堆叠和固定的神经光电极阵列从模具中取出。
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