CN116322270A - 基于人工结构的微米级声场生成装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于人工结构的微米级声场生成装置及其制备方法，所述基于人工结构的微米级声场生成装置包括声表面波芯片和耦合于所述声表面波芯片的至少一人工结构，所述声表面波芯片用于产生表面波声场，所述人工结构用于对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场，本发明结合所述声表面波芯片和所述人工结构制备形成基于人工结构的微米级声场生成装置，产生单个神经元尺度的表面波声场，实现单个神经元的调控，并结合电生理手段对单个神经元放电进行记录，从而对超声神经调控的机制进行研究。

Description

基于人工结构的微米级声场生成装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及超声调控技术领域，特别是涉及一种基于人工结构的微米级声场生成装置及其制备方法。
背景技术
长期以来，精神类疾病如运动性障碍、疼痛、癫痫、帕金森病、精神疾病和心绞痛等严重影响着人类的健康和生活质量。尽管不断有新的抗精神病药物被应用于临床，但是仍然有相当一部分病人对药物治疗不敏感或疗效不满意。神经调控治疗方法属近年来较为热门的治疗方法，对多种神经类疾病具有良好的治疗效果，发展速度较快。神经调控是通过植入性或非植入性技术、电或化学作用方式，对中枢神经系统、周围神经系统和自主神经系统邻近或远隔部位神经元或神经信号转导发挥兴奋、抑制或调节作用，从而达到改善患者生活质量，提高神经功能之目的的生物医学工程技术。
超声神经调控是近些年提出的一种神经调控手段，其可以无创的穿透颅骨对大脑的神经核团进行调控，在治疗帕金森、癫痫等疾病方面受到了广泛的关注，然而超声神经调控的机制并不清晰。目前主要通过超声换能器来进行超声神经调控，然而，传统换能器产生的声场范围巨大，远大于单个神经元细胞的尺寸，使得声场范围内各个种类的神经元均会受到超声波的刺激，限制了从单个神经元角度对超声神经调控的机制进行研究。
发明内容
本发明的一目的是，提供一种基于人工结构的微米级声场生成装置及其制备方法，该装置能够对声场进行调控，使得声场范围小于单个神经元的尺寸，便于从单个神经元角度对超声神经调控机制进行研究。
本发明在一方面提供了基于人工结构的微米级声场生成装置，所述基于人工结构的微米级声场生成装置包括声表面波芯片和耦合于所述声表面波芯片的至少一人工结构，所述声表面波芯片用于产生表面波声场，所述人工结构用于对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
在本发明的一实施例中，所述声表面波芯片包括压电基底和镀于所述压电基底之上的叉指电极，所述人工结构耦合在所述声表面波芯片的设置有所述叉指电极的一面。
在本发明的一实施例中，所述压电基底为128°YX双面抛光铌酸锂、Y36切向铌酸锂、X切向铌酸锂、锗酸秘、钽酸锂、砷化镓、氧化锌、氮化铝中的任一种。
在本发明的一实施例中，所述人工结构包括填充型人工结构，所述填充型人工结构包括结构基底和填充于所述结构基底的填充孔的填充物质，所述填充物质为镓、锌、铜、镍、铅中的一种或多种。
在本发明的一实施例中，所述人工结构为柱状人工结构，所述柱状人工结构包括结构基底和形成于所述结构基底上的周期性排列的柱状结构。
在本发明的一实施例中，所述人工结构通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种耦合于所述声表面波芯片。
本发明在另一方面还提供了基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，包括步骤：
S1、制备声表面波芯片；
S2、制备人工结构；以及
S3、将人工结构耦合于所述声表面波芯片，利用所述人工结构对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1包括步骤：
S11、在压电基底表面，旋涂正光刻胶，并进行加热烘烤；
S12、将菲林片覆盖在涂有光刻胶的压电基底上进行曝光，并进行显影；
S13、对完成显影的压电基底进行磁控溅射，使其表面生长形成金属层；以及
S14、将表面生长有金属层的压电基底放入丙酮溶液中，超声清洗以去除光刻胶，得到所述声表面波芯片。
在本发明的一实施例中，所述步骤S2包括步骤：
S21、在结构基底表面，旋涂负光刻胶；
S22、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶的结构基底上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S23、对所述目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底上形成填充孔；以及
S24、将填充物质填充于所述填充孔，待填充物质固化后，将固化后的结构表面打磨平整，得到所述人工结构。
在本发明的一实施例中，其中在所述步骤S24中，通过显微注射的方式将所述填充物填充于所述填充孔，所述填充物质为镓、锌、铜、镍、铅中的一种或多种。
在本发明的一实施例中，所述步骤S2包括步骤：
S210、在结构基底表面，旋涂负光刻胶；
S220、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶的结构基底上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S230、对目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底上形成周期性排列的柱状结构；以及
S240、去除所述柱状结构上的负光刻胶，得到柱状人工结构。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S240中，通过超声清洗或打磨的方式去除负光刻胶。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S3中，通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质，将所述人工结构耦合于所述声表面波芯片。
本发明的基于人工结构的微米级声场生成装置由所述声表面波芯片与所述人工结构耦合形成，所述声表面波芯片能够与所述人工结构良好兼容，从而调控声场实现微米级声场的形成；所述人工结构的特定结构能够使其产生自然界中所具备的奇异特性，从而能够有效操纵声波，实现对所述声表面波芯片产生的表面波声场的调控，并可以根据实际需要，设计不同的结构形态，从而产生所需形态的表面波声场。
本发明结合所述声表面波芯片和所述人工结构制备形成基于人工结构的微米级声场生成装置，产生单个神经元尺度的表面波声场，实现单个神经元的调控，并结合电生理手段对单个神经元放电进行记录，从而对超声神经调控的机制进行研究。
本发明的基于人工结构的微米级声场生成装置基于声学人工结构来实现对声场进行调控，只需要至少一个振元(即单振元声表面波芯片)和至少一个声学人工结构即可达到调控声场的目的，结构简单、成本低，易于实现。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的结构示意图。
图2为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的制备流程示意图。
图3为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置生成的微米级声场的仿真图。
图4为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法的示意框图。
图5为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的声表面波芯片的制备方法的示意框图。
图6为本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的填充型人工结构的制备方法的示意框图。
图7为本发明的第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的结构示意图。
图8为本发明的第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的制备流程示意图。
图9为本发明的第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置生成的微米级声场的仿真图。
图10为本发明的第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的柱状人工结构的制备方法的示意框图。
图11为本发明的第三优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的结构示意图。
图12为本发明的第四优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置的结构示意图。
附图标号说明：基于人工结构的微米级声场生成装置100；声表面波芯片10；压电基底11；叉指电极12；人工结构20；填充型人工结构21；柱状人工结构22；结构基底211；填充孔212；填充物质213；柱状结构221；耦合层30；正光刻胶41；负光刻胶42。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
声表面波又叫瑞利波，是一种沿着物体表面传播的超声波，通常由叉指换能器产生，叉指换能器是由在压电基底上镀叉指电极形成，在输入相应频率的正弦波信号时，会产生相应频率的表面波信号。具有高频率、微型化、低能量损耗的特点。作为声源，表面波芯片可以与微型人工结构良好兼容，从而调控声场实现微米级别声场的形成。
声学人工结构通过人工设计特定的结构使其能够产生自然界中所不具备的奇异特性，从而有效操纵声波，实现对声场的调控，并可以通过实际需要，设计不同结构形态，从而产生所需形态的声场。
因此，本发明的基于人工结构的微米级声场生成装置结合声表面波芯片和声学人工结构，利用声表面波芯片是一种微型超声生成装置，可以和钙成像、膜片钳等神经生物学手段相兼容的特点，实现对神经电活动进行记录。利用声学人工结构可以对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得声波局域在单个神经元的范围内的特点，来实现精确调控单个神经元。以此本发明能够结合电生理的记录，实现单个神经元尺度的超声神经调控机制的研究。
本发明基于声学人工结构来实现对声场进行调控，只需要至少一个振元和至少一个声学人工结构即可达到调控声场的目的，结构简单、成本低，易于实现。
如图1至图12所示，本发明的基于人工结构的微米级声场生成装置100及其制备方法被具体阐明。
如图1至图6所示，根据本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的具体结构和制备方法被阐明。具体地，所述基于人工结构的微米级声场生成装置100包括声表面波芯片10和耦合于所述声表面波芯片10的至少一人工结构20，所述声表面波芯片10用于产生表面波声场，所述人工结构20用于对所述声表面波芯片10产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
特别地，所述人工结构20通过具有良好导生特性的物质耦合于所述声表面波芯片10上，如所述人工结构20通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质耦合于所述声表面波芯片10,即所述人工结构20和所述声表面波芯片10之间还形成有一层耦合层30。
进一步地，所述声表面波芯片10包括压电基底11和镀于所述压电基底11之上的叉指电极12，所述人工结构20耦合在所述声表面波芯片10的设置有所述叉指电极12的一面。
值得一提的是，所述压电基底11为128°YX双面抛光铌酸锂、Y36切向铌酸锂、X切向铌酸锂、Bi12GeO2(锗酸秘)、LiTaO3(钽酸锂)、GaAs(砷化镓)、ZnO(氧化锌)、AlN(氮化铝)中的任一种。
优选地，在本发明的这一实施例中，为了获得较大的机电耦合系数，选用128°YX双面抛光的铌酸锂作为压电基底11。
进一步地，在本发明的这一实施例中，所述人工结构20采用填充型人工结构21，所述填充型人工结构21包括结构基底211和填充于所述结构基底211的填充孔212的填充物质213，其中所述结构基底211可以采用硅片或钨片中的任一种，所述填充物质213为与所述结构基底211声阻抗差异巨大的物质，如所述填充物质213为镓、锌、铜、镍、铅中的一种或多种物质。
如图2(a)至图2(j)所示，本发明的第一优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的制备流程被具体阐明。
所述基于人工结构的微米级声场生成装置100制备方法如下：
(一)制备所述声表面波芯片10
所述声表面波芯片10的制备主要是通过在压电基底11上镀入叉指电极12和记录电极制作而成的。为了获得较大的机电耦合系数，选用128°YX双面抛光的铌酸锂作为压电基底11。在制作所述声表面波芯片10的过程中主要包括涂胶、曝光、显影、溅射、剥离等工艺，其中图2(a)至图2(d)显示了所述声表面波芯片10的制作方法。
(1)涂胶：在完全清洗干净的压电基底11的表面，将正光刻胶41(如光刻胶AZ5214)以3000rpm旋涂30s，将芯片放置在65℃加热板上烘烤3min。利用台阶仪对光刻胶的厚度进行测试，光刻胶的厚度大概为1.5μm，如图2(a)所示。
(2)曝光和显影：然后将制作好的菲林片覆盖在如图2(a)所示的结构上面进行曝光，其中菲林片上有图案部分不透光，无图案部分透光，光刻胶对应的有光透过的部分会固化。对覆盖有菲林片的结构进行显影，可以采用mif300进行显影，在进行显影的时候固化部分被溶解，非固化部分不会被溶解，显影形成如图2(b)所示的图形，以此完成压电基底11的图形转移。
(3)溅射：对已完成图形转移的压电基底11进行磁控溅射，使其表面生长厚度约为200nm的金属层，如图2(c)所示，此步骤即在压电基底11上生长形成叉指电极12。
(4)剥离：将生长形成有电极的压电基底11放在丙酮溶液中，利用超声清洗机的超声波震动剥离光刻胶，完成所述声表面波芯片10的制作，如图2(d)。
可以理解的是，本发明可以通过调整金属膜材料、指条对数、声孔径尺寸研究这些参数对器件插入损耗及器件带宽的影响，设计所述声表面波芯片的指条宽度，从而调控声表面波的频率。
(二)制备填充型人工结构21
所述填充型人工结构21的制备流程如图2(e)至图2(i)所示，所述填充型人工结构21主要基于近场衍射效应来实现对所述声表面波芯片10的表面波声场进行调控。
(1)涂胶、曝光、显影：在完全清洗干净的结构基底211的表面，将负光刻胶42(如光刻胶SUN1300)以3000rpm旋涂30s，然后将制作好的菲林片覆盖在上面，如图2(e)所示，其次进行曝光，其中菲林片上有图案部分不透光，无图案部分透光，光刻胶层有光透过的部分会固化，进行显影的时候固化部分被溶解，非固化部分不被溶解，如图2(h)所示，通过菲林片的设计，溶解部分为需要刻蚀的位置，即目标刻蚀位置，如图2(f)所示。
值得一提的是，由于所述人工结构20需要刻蚀，负光刻胶比较厚，刻蚀时保护效果好。如果选用厚的正光刻胶也可以，即本发明所采用的正负光刻胶可以替换使用，另外，本发明所采用的正负光刻胶还可以采用除AZ5214以外的用于微纳加工的光刻胶。例如SU-8,AZ4500等，本发明对此不作限制。
(2)刻蚀：通过刻蚀的方法对结构基底211的表面保护层进行刻蚀，没有光刻胶的位置保护层被刻蚀，从而形成所需的孔状结构，该孔状结构优选为圆形孔状结构，如图2(g)所示。
在本发明的一些实施例中，该孔状结构也可以为方形或不规则形状，本发明对此不作限制。
(3)填充：通过显微注射的方法将已经设计好的填充材料填充到刻蚀完成的孔隙中，并固化，使用磨床将结构表面打磨平整，得到填充型人工结构21，如图2(i)所示。
在本发明的一些实施例中，如果是金属可以用电镀或电子书蒸发已经设计好的填充材料填充到刻蚀完成的孔隙中，并固化，本发明对填充的方式不作限制。
另外，由于通过注射的方法添加的材料，填充后可能出现表面不平整，影响调控效果的情况，所以需要磨平处理。
(三)所述填充型人工结构21和所述声表面波芯片10的耦合
(1)安装：通过水或其他导声材料将所述填充型人工结构21耦合到所述声表面波芯片10上，得到如图2(j)所示的基于人工结构的微米级声场生成装置100，使得所述填充型人工结构21和所述声表面波芯片10所产生的表面波声场相互作用而形成所需形态的声场。
特别地，液体(如水)和导声材料只需要做到使得所述人工结构20和所述声表面波芯片10表面之间完全填充，没有空气即可，如此则完成所述人工结构20与所述声表面波芯片10之间的耦合。
值得一提的是，导声材料可以为琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质，本发明对此不作限制。
特别地，图3为本发明的第一优选实例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置生成的微米级声场的仿真图，图中纵坐标代表声波强度，数值越大，颜色越深时，代表声波强度越大。正常在无人工结构的情况下，仿真声场区域内声波能量是均匀分布的，范围较大。而如图3所示，本发明在加入了所述填充型人工结构21后，所述声表面波芯片10所产生的声场能量被聚焦到一个或多个很小的点状区域，其他位置的声波能量远小于该点状区域，因此证明本发明的所述基于人工结构的微米级声场生成装置能够产生微米级声场。
也就是说，本发明的所述人工结构20调控所述声表面波芯片10产生的表面波声场所生成的微米级声场为5～150μm，小于等于单个神经元的尺度，因此本发明能够结合电生理技术，利用所述声表面波芯片10实现单个神经元超声刺激下电信号的实时记录，从而从单个神经元角度对超声神经调控机制进行研究。
可以理解的是，本发明通过声表面波频率设计、实验声场需要和仿真结果设计人工结构尺寸和填充材料。通过涂胶、光刻、显影、刻蚀的方法制备孔状结构，通过显微注射将填充材料填充到孔状结构中并固化。将所述人工结构20通过液体或导声材料耦合到所述声表面波芯片10上，来得到所述基于人工结构的微米级声场生成装置。
也就是说，基于前述制备过程，本发明在另一方面还提供了所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的制备方法，如图4所示，所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的制备方法包括步骤：
S1、制备声表面波芯片10；
S2、制备人工结构20；以及
S3、将所述人工结构20耦合于所述声表面波芯片10，利用所述人工结构20对所述声表面波芯片10产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
进一步地，如图5所示，所述步骤S1包括步骤：
S11、在压电基底11表面，旋涂正光刻胶41，并进行加热烘烤；
S12、将菲林片覆盖在涂有光刻胶的压电基底11上进行曝光，并进行显影；
S13、对完成显影的压电基底11进行磁控溅射，使其表面生长形成金属层；以及
S14、将表面生长有金属层的压电基底11放入丙酮溶液中，超声清洗以去除光刻胶，得到所述声表面波芯片10。
进一步地，如图6所示，所述步骤S2包括步骤：
S21、在结构基底211表面，旋涂负光刻胶42；
S22、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶42的结构基底211上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S23、对所述目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底211上形成填充孔212；以及
S24、将填充物质213填充于所述填充孔212，待填充物质213固化后，将固化后的结构表面打磨平整，得到填充型人工结构21。
值得一提的是，其中在所述步骤S24中，通过显微注射的方式将所述填充物填充于所述填充孔212，所述填充物质213为镓、锌、铜、镍、铅中的一种或多种。
此外，还值得一提的是，在所述步骤S3中，通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质，将所述人工结构20耦合于所述声表面波芯片10。
如图7至图10所示，根据本发明的第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的结构和制备方法被具体阐明。所述基于人工结构的微米级声场生成装置100包括声表面波芯片10和耦合于所述声表面波芯片10的人工结构，所述声表面波芯片10用于产生表面波声场，所述人工结构20用于对所述声表面波芯片10产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
可以理解的是，第二优选实施例为第一优选实施例的变形实施例，与第一优选实施例不同的是，第二优选实施例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置100采用柱状人工结构22。具体地，所述柱状人工结构22包括结构基底211和形成于所述结构基底211上的周期性排列的柱状结构221。
还可以理解的是，除所述柱状人工结构22的结构不同之外，第二优选实施例与第一优选实施例的其他结构均相同，而且第二优选实施例的所述声表面波芯片10的结构和制备方法均与第一优选实施例相同。
也就是说，在第二优选实施例中，所述柱状人工结构22与第一优选实施例的填充型人工结构21的结构和制备方法均不相同。
如图8(a)至图8(i)所示，所述基于人工结构的微米级声场生成装置100的制备方法如下：
(一)制备所述声表面波芯片10
所述声表面波芯片10的制备主要是通过在压电基底11上镀入叉指电极12和记录电极制作而成的。为了获得较大的机电耦合系数，选用128°YX双面抛光的铌酸锂作为压电基底11。在制作所述声表面波芯片10的过程中主要包括涂胶、曝光、显影、溅射、剥离等工艺，其中图8(a)至图8(d)显示了所述声表面波芯片10的制作方法。
(1)涂胶：在完全清洗干净的压电基底11的表面，将正光刻胶41(如光刻胶AZ5214)以3000rpm旋涂30s，将芯片放置在65℃加热板上烘烤3min。利用台阶仪对光刻胶的厚度进行测试，光刻胶的厚度大概为1.5μm，如图8(a)所示。
(2)曝光和显影：然后将制作好的菲林片覆盖在如图8(a)所示的结构上面进行曝光，其中菲林片上有图案部分不透光，无图案部分透光，光刻胶对应的有光透过的部分会固化。对覆盖有菲林片的结构进行显影，可以采用mif300进行显影，在进行显影的时候固化部分被溶解，非固化部分不会被溶解，显影形成如图8(b)所示的图形，以此完成压电基底11的图形转移。
(3)溅射：对已完成图形转移的压电基底11进行磁控溅射，使其表面生长厚度约为200nm的金属层，如图8(c)所示，此步骤即在压电基底11上生长形成叉指电极12。
(4)剥离：将生长形成有电极的压电基底11放在丙酮溶液中，利用超声清洗机的超声波震动剥离光刻胶，完成所述声表面波芯片10的制作，如图8(d)。
可以理解的是，本发明可以通过调整金属膜材料、指条对数、声孔径尺寸研究这些参数对器件插入损耗及器件带宽的影响，设计所述声表面波芯片的指条宽度，从而调控声表面波的频率。
也就是说，图8(a)至图8(d)的过程与图2(a)至图2(d)的过程相同。
(二)制备柱状人工结构22
所述填充型人工结构21的制备流程如图8(e)至图8(i)所示，所述柱状人工结构22通过构建一种高阶的声学拓扑绝缘体，在特定位置产生零维的角态，从而实现了弹性波的亚波长聚焦，以此实现对所述声表面波芯片10的表面波声场的调控。
(1)涂胶、曝光、显影：在完全清洗干净的结构基底211的表面，将负光刻胶42(如光刻胶SUN1300)以3000rpm旋涂30s，然后将制作好的菲林片覆盖在上面，如图8(e)所示，其次进行曝光，其中菲林片上有图案部分不透光，无图案部分透光，光刻胶层有光透过的部分会固化，进行显影的时候固化部分被溶解，非固化部分不被溶解，通过显影液(mif300)进行显影如图8(h)所示，通过菲林片的设计，溶解部分为需要刻蚀的位置，即目标刻蚀位置，如图8(f)所示。
(2)刻蚀：通过刻蚀的方法对芯片表面保护层进行刻蚀，没有光刻胶的位置保护层被刻蚀，从而形成所需周期性排列的柱状结构221，如图8(g)。
(3)去胶：通过超声或打磨的方式，去除所述柱状结构221上的负光刻胶42，得到柱状人工结构22。
(三)所述柱状人工结构22和所述声表面波芯片10的耦合
(1)安装：通过水或其他导声材料将所述柱状人工结构22耦合到所述声表面波芯片10上，得到如图8(i)所示的基于人工结构的微米级声场生成装置100，使得所述柱状人工结构22和所述声表面波芯片10所产生的表面波声场相互作用而形成所需形态的声场。
特别地，图9为本发明的第二优选实例的所述基于人工结构的微米级声场生成装置生成的微米级声场的仿真图，图中纵坐标代表声波强度，数值越大，颜色越深时，代表声波强度越大。正常在无人工结构的情况下，仿真声场区域内声波能量是均匀分布的，范围较大。而如图9所示，本发明在加入了所述柱状人工结构22后，所述声表面波芯片10所产生的声场能量被聚焦到一个或多个很小的点状区域，其他位置的声波能量远小于该点状区域，因此证明本发明的所述基于人工结构的微米级声场生成装置能够产生微米级声场。
也就是说，本发明的所述人工结构20调控所述声表面波芯片10产生的表面波声场所生成的微米级声场为5～150μm，小于等于单个神经元的尺度，因此本发明能够结合电生理技术，利用所述声表面波芯片10实现单个神经元超声刺激下电信号的实时记录，从而从单个神经元角度对超声神经调控机制进行研究。
可以理解的是，本发明通过声表面波频率设计、实验声场需要和仿真结果设计柱状人工结构22的尺寸及排列方式。通过涂胶、光刻、显影、刻蚀的方法制备柱状人工结构22。将所述柱状人工结构22通过液体或导声材料耦合到所述声表面波芯片10上，来得到所述基于人工结构的微米级声场生成装置100。
如图10所示，在第二优选实施例中，所述步骤S2包括步骤：
S210、在结构基底211表面，旋涂负光刻胶42；
S220、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶42的结构基底211上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S230、对目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底211上形成周期性排列的柱状结构221；以及
S240、去除所述柱状结构221上的负光刻胶42，得到柱状人工结构22。
值得一提的是，在所述步骤S240中，可以通过超声清洗或打磨的方式去除负光刻胶42，本发明对此不作限制。
如图11和图12所示，本发明在另一方面还提供了采用多个所述人工结构20的基于人工结构的微米级声场生成装置100，在第三优选实施例中，所述基于人工结构的微米级声场生成装置100可以采用两个或两个以上的填充型人工结构21，也可以采用两个或两个以上的柱状人工结构22；在第四优选实施例中，所述基于人工结构的微米级声场生成装置100也可以采用填充型人工结构21与柱状人工结构22的组合，以使得能够满足不同刺激位点的需求，本发明对此不作限制。
可以理解的是，本发明利用所述人工结构20对所述声表面波芯片10产生的表面波声场进行调控，使得声场范围小于声波波长，局域到单个神经元尺度，实现单个神经元的刺激。由于所述声表面波芯片10和所述人工结构20均由微纳加工工艺制备而成，结构微小，可以和钙成像、膜片钳等手段相兼容，从而易于对神经调控机制进行研究。
而且，由于所述人工结构20包括填充型人工结构21、柱状人工结构22，即通过对所述人工结构20的结构设计，能够在平面内实现多个精确的焦点或不同的声场形态，从而达到多个位置同时刺激的效果。
另外，本发明的所述基于人工结构的微米级声场生成装置100可以与声源进行拆分，使用中可以使用一个声源，多个所述人工结构20的方式，神经元细胞养在所述人工结构20上，连续的将所述人工结构20放置到声源处进行刺激，从而实现高通量的调控。
还应该理解的是，本发明的所述基于人工结构的微米级声场生成装置不仅能够应用于神经调控技术领域，还可以应用于声穿孔、声操控、声流等技术领域，本发明对所述基于人工结构的微米级声场生成装置的应用不作限制。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于人工结构的微米级声场生成装置，其特征在于，所述基于人工结构的微米级声场生成装置包括声表面波芯片和耦合于所述声表面波芯片的至少一人工结构，所述声表面波芯片用于产生表面波声场，所述人工结构用于对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
2.根据权利要求1所述的基于人工结构的微米级声场生成装置，其特征在于，所述声表面波芯片包括压电基底和镀于所述压电基底之上的叉指电极，所述人工结构耦合在所述声表面波芯片的设置有所述叉指电极的一面，所述压电基底为128°YX双面抛光铌酸锂、Y36切向铌酸锂、X切向铌酸锂、锗酸秘、钽酸锂、砷化镓、氧化锌、氮化铝中的任一种。
3.根据权利要求2所述的基于人工结构的微米级声场生成装置，其特征在于，所述人工结构包括填充型人工结构，所述填充型人工结构包括结构基底和填充于所述结构基底的填充孔的填充物质，所述填充物质为镓、锌、铜、镍、铅中的一种或多种。
4.根据权利要求2或3所述的基于人工结构的微米级声场生成装置，其特征在于，所述人工结构包括柱状人工结构，所述柱状人工结构包括结构基底和形成于所述结构基底上的周期性排列的柱状结构。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于人工结构的微米级声场生成装置，其特征在于，所述人工结构通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质耦合于所述声表面波芯片。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、制备声表面波芯片；
S2、制备人工结构；以及
S3、将人工结构耦合于所述声表面波芯片，利用所述人工结构对所述声表面波芯片产生的表面波声场进行调控，使得所述表面波声场范围小于声波波长，从而形成微米级声场。
7.根据权利要求6所述的基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括步骤：
S11、在压电基底表面，旋涂正光刻胶，并进行加热烘烤；
S12、将菲林片覆盖在涂有光刻胶的压电基底上进行曝光，并进行显影；
S13、对完成显影的压电基底进行磁控溅射，使其表面生长形成金属层；以及
S14、将表面生长有金属层的压电基底放入丙酮溶液中，超声清洗以去除光刻胶，得到所述声表面波芯片。
8.根据权利要求6所述的基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：
S21、在结构基底表面，旋涂负光刻胶；
S22、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶的结构基底上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S23、对所述目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底上形成填充孔；以及
S24、将填充物质填充于所述填充孔，待填充物质固化后，将固化后的结构表面打磨平整，得到填充型人工结构。
9.根据权利要求6所述的基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，其特征在于，所述步骤S2包括步骤：
S210、在结构基底表面，旋涂负光刻胶；
S220、将菲林片覆盖在旋涂好负光刻胶的结构基底上面进行曝光，并进行显影以显示目标刻蚀位置；
S230、对目标刻蚀位置进行刻蚀，以在所述结构基底上形成周期性排列的柱状结构；以及
S240、去除所述柱状结构上的负光刻胶，得到柱状人工结构。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的基于人工结构的微米级声场生成装置的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过水、琼脂、聚乙烯醇树脂中的任一种物质，将所述人工结构耦合于所述声表面波芯片。
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