CN116965825A - 一种柔性针尖电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物医学工程技术以及MEMS加工技术领域，具体涉及一种柔性针尖电极及其制作方法，包括如下步骤：S1、提供一SOI衬底；S2、刻蚀所述SOI衬底的顶部硅层，形成硅针尖；S3、在所述SOI衬底表面依次制作柔性衬底层、导电层和绝缘层；S4、释放所述SOI衬底的埋氧层，得到柔性针尖电极。采用本发明的制备方法制备的柔性针尖电极，集成了硬针尖和柔性衬底的优点，既可以更好的贴附于大脑皮层或神经束表面，同时还能使电极与生物组织深度接触，确保采集的信号质量和刺激效果；且采用本发明的制备方法，硅针尖和柔性衬底的整体性好，不易出现硅针尖脱落的情况，还可以大面积制备，易于实现产业化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术以及MEMS（微机电系统）加工技术领域，具体涉及一种柔性针尖电极及其制作方法。
背景技术
当前针尖型电极多为硅基衬底上采用MEMS微系统加工技术制备，衬底为平面硬衬底，不适于贴附曲面结构如脑壳皮层、柱形神经束表面，特别不适用于大面积生物组织表面贴附。
而柔性衬底的电极，其电极触点一般为具有一定高度的平面薄膜，没有形成针尖结构，使用时只能贴附于皮层或神经束表面，没有针尖部分扎进生物组织的效果，不能与生物组织实现深度接触，采集的信号质量或刺激效果不佳。
因此，现有微针存在柔性贴附性能和针尖扎入性能无法兼顾的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性针尖电极及其制作方法，通过采用柔性衬底包覆硅针尖，使电极既具有柔性，可贴附于复杂的曲面，又具有针尖贴附效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种柔性针尖电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一SOI衬底；
S2、刻蚀所述SOI衬底的顶部硅层，形成硅针尖；
S3、在所述SOI衬底表面依次制作柔性衬底层、导电层和绝缘层；
S4、释放所述SOI衬底的埋氧层，得到柔性针尖电极。
作为实施方式之一，所述刻蚀所述SOI衬底的顶部硅层，形成硅针尖的具体步骤，包括：
在所述顶部硅层的表面沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案；
以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖；
去除所述掩模图案。
作为实施方式之一，所述在所述顶部硅层的表面沉积牺牲层的步骤具体包括：
在所述顶部硅层的表面沉积碳化硅层或二氧化硅层。
作为实施方式之一，所述刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案的步骤具体包括：
刻蚀所述牺牲层，形成间隔设置的圆形掩模。
作为实施方式之一，所述以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖的步骤具体包括：
以所述圆形掩模为自对准掩模版，采用各向同性的湿法刻蚀工艺刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖。
作为实施方式之一，所述在所述SOI衬底表面依次制作柔性衬底层、导电层和绝缘层的具体步骤，包括：
在所述SOI衬底表面沉积所述柔性衬底层，所述柔性衬底层至少部分覆盖所述硅针尖；
在所述柔性衬底层上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖；
在所述导电层上制备所述绝缘层，所述绝缘层露出所述硅针尖上的所述导电层。
作为实施方式之一，所述在所述柔性衬底层上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖的具体步骤，包括：
在所述柔性衬底层上沉积一层导电薄膜；
刻蚀所述导电薄膜，形成电极和引线，所述电极对应包覆所述硅针尖。
作为实施方式之一，所述在所述导电层上制备所述绝缘层，所述绝缘层露出所述硅针尖上的所述导电层的具体步骤，包括：
在所述导电层上沉积一层绝缘层，刻蚀所述绝缘层，露出所述硅针尖上的所述导电层。
作为实施方式之一，所述释放所述SOI衬底的埋氧层，得到柔性针尖电极的具体步骤，包括：
采用湿法刻蚀工艺去除所述SOI衬底的埋氧层，剥离所述SOI衬底的底部硅层，得到所述柔性针尖电极。
本发明还提供一种采用以上任一项所述的柔性针尖电极的制备方法制作的柔性针尖电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）采用本发明的制备方法制备的柔性针尖电极，集成了硬针尖和柔性衬底的优点，可以更好的贴附于大脑皮层或神经束表面，同时还能使针尖电极与生物组织深度接触，确保采集的信号质量和刺激效果；
（2）采用本发明的制备方法，硅针尖和柔性衬底的整体性好，不易出现硅针尖脱落的情况，且硅针尖大小可做到微米甚至纳米级，还可以大面积制备，易于实现产业化批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。
图1为本发明实施例提供的SOI衬底的示意图；
图2为本发明实施例提供的在SOI衬底上沉积二氧化硅层的示意图；
图3为本发明实施例提供的刻蚀二氧化硅层形成圆形掩模的示意图；
图4为本发明实施例提供的湿法刻蚀SOI衬底顶部硅层形成硅针尖的示意图；
图5为本发明实施例提供的去除圆形掩模的示意图；
图6为本发明实施例提供的涂覆柔性衬底层的示意图；
图7为本发明实施例提供的在柔性衬底层上制作电极和引线的示意图；
图8为本发明实施例提供的涂覆绝缘层的示意图；
图9为本发明实施例提供的绝缘层上露出硅针尖的示意图；
图10为本发明实施例提供的刻蚀绝缘层露出电极的示意图；
图11为本发明实施例提供的刻蚀埋氧层的示意图；
图12为本发明实施例制备的柔性针尖电极的示意图；
图中：1、SOI衬底；101、顶部硅层；102、埋氧层；103、底部硅层；2、二氧化硅层；3、圆形掩模；4、硅针尖；5、柔性衬底层；6、电极；7、引线；8、绝缘层；9、光刻胶。
具体实施方式
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是至少一个。
如图1-图12所示，本实施例提供一种柔性针尖电极的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一SOI衬底1；
S2、刻蚀所述SOI衬底1的顶部硅层101，形成硅针尖4；
S3、在所述SOI衬底1表面依次制作柔性衬底层5、导电层和绝缘层8；
S4、释放所述SOI衬底1的埋氧层102，得到柔性针尖电极。
其中，SOI（绝缘衬底上硅）衬底1包括自下至上依次设置的底部硅层103、埋氧层102和顶部硅层101，如图1所示。
采用本实施例的制备方法制备的柔性针尖电极，集成了硬针尖和柔性衬底的优点，既可以更好的贴附于大脑皮层或神经束表面，同时还能使电极与生物组织深度接触，确保采集的信号质量和刺激效果；而且本实施例先在SOI衬底1上制备硅针尖4，然后在SOI衬底1表面制作柔性衬底层5，硅针尖4和柔性衬底层5的整体性好，不易出现硅针尖4脱落的情况，且硅针尖4大小可做到微米甚至纳米级，还可以大面积制备，易于实现产业化批量生产。
细化上述实施例，所述刻蚀所述SOI衬底1的顶部硅层101，形成硅针尖4的具体步骤，包括：
在所述顶部硅层101的表面沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案；
以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层101，形成所述硅针尖4；
去除所述掩模图案。
在一些实施例中，所述在所述顶部硅层101的表面沉积牺牲层的步骤具体包括：在所述顶部硅层101的表面沉积碳化硅层或二氧化硅层。碳化硅层或二氧化硅层具体可以采用化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积等沉积工艺形成。
在一些实施例中，所述刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案的步骤具体包括：刻蚀所述牺牲层，形成间隔设置的圆形掩模3。这里的间隔设置的圆形掩模3构成掩模图案。本实施例的柔性针尖电极中可以有间隔设置的若干个硅针尖4，根据硅针尖4的设计位置，刻蚀牺牲层，形成对应的若干圆形掩模3。
在一些实施例中，所述以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层101，形成所述硅针尖4的步骤具体包括：以所述圆形掩模3为自对准掩模版，采用各向同性的湿法刻蚀工艺刻蚀所述顶部硅层101，形成所述硅针尖4。该湿法刻蚀会在遇到SOI衬底1的埋氧层102时停止向下刻蚀。
进一步地，采用超声清洗法去除所述圆形掩模3。具体过程为先对样品进行超声处理，然后将样品清洗干燥即可。
细化上述实施例，所述在所述SOI衬底1表面依次制作柔性衬底层5、导电层和绝缘层8的具体步骤，包括：
在所述SOI衬底1表面沉积所述柔性衬底层5，所述柔性衬底层5至少部分覆盖所述硅针尖4；
在所述柔性衬底层5上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖4；
在所述导电层上制备所述绝缘层8，所述绝缘层8露出所述硅针尖4上的所述导电层。
在一些实施例中，柔性衬底层5完全包覆硅针尖4，如图6所示；在另一些实施例中，柔性衬底层5部分包覆硅针尖4，具体地，在SOI衬底的埋氧层102表面涂覆柔性衬底层5，柔性衬底层5至少覆盖硅针尖4的底部，可以保证硅针尖4与柔性衬底层5的整体性。
在一些实施例中，所述在所述柔性衬底层5上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖4的具体步骤，包括：在所述柔性衬底层5上沉积一层导电薄膜；刻蚀所述导电薄膜，形成电极6和引线7，所述电极6对应包覆所述硅针尖4。
其中，刻蚀所述导电薄膜的具体步骤如下：先在导电薄膜表面涂光刻胶并图形化，露出电极6和引线7边缘区域的导电薄膜，然后刻蚀电极6和引线7边缘区域的导电薄膜，再将电极6和引线7区域以外的导电薄膜剥离，即可得到电极6和与电极6连接的引线7，最后去除光刻胶。
本实施例的导电薄膜可以采用化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积等沉积工艺形成，导电薄膜具体可以采用Al、Cu、Au、Ag、Pt等中的任意一种。
在一些实施例中，所述在所述导电层上制备所述绝缘层8，所述绝缘层8露出所述硅针尖4上的所述导电层的具体步骤，包括：在所述导电层上沉积一层绝缘层8，刻蚀所述绝缘层8，露出所述硅针尖4上的所述导电层。
其中，刻蚀所述绝缘层8的具体步骤如下：先在绝缘层8表面涂光刻胶9并图形化，露出硅针尖4上的绝缘层8，然后刻蚀硅针尖4上的绝缘层8，露出硅针尖4上的所述导电层，最后去除光刻胶9。
在本实施例中，所述柔性衬底层5和所述绝缘层8均可以采用柔性绝缘材料制作而成。具体地，柔性绝缘材料可以采用派瑞林、聚酰亚胺（PI）、对苯二甲酸乙二醇酯等中的任意一种，其中，派瑞林包括派瑞林C、派瑞林D、派瑞林N、派瑞林HT等。在一些实施例中，柔性衬底层5和绝缘层8采用相同的柔性绝缘材料，在另一些实施例中，柔性衬底层5和绝缘层8采用不同的柔性绝缘材料。
细化上述实施例，所述释放所述SOI衬底1的埋氧层102，得到柔性针尖电极的具体步骤，包括：采用湿法刻蚀工艺去除所述SOI衬底1的埋氧层102，剥离所述SOI衬底1的底部硅层103，得到所述柔性针尖电极。
本实施例还提供一种采用以上所述的柔性针尖电极的制备方法制作的柔性针尖电极，如图12所示。
下面通过一个具体的实施例对柔性针尖电极的制备方法进行说明。
本实施例中柔性针尖电极的柔性衬底层5上有多个电极6，具体的制作方法如下：
1）提供一SOI衬底1，如图1所示；
2）采用热氧化沉积的方式在SOI衬底1的顶部硅层101表面沉积一层二氧化硅层2，如图2所示；
3）根据硅针尖4的设计位置，刻蚀二氧化硅层2，形成多个圆形掩模3，如图3所示；
4）采用各向同性的湿法刻蚀工艺刻蚀位于圆形掩模3下方的SOI衬底1的顶部硅层101区域，形成多个硅针尖4，如图4所示；
5）采用超声清洗法去除硅针尖4上方的圆形掩模3，如图5所示；
6）在SOI衬底1的埋氧层102表面涂覆一层PI，形成柔性衬底层5，并完全包覆硅针尖4，如图6所示；
7）在柔性衬底层5表面沉积Cu层，通过刻蚀、剥离形成电极6和与电极6连接的引线7，如图7所示；
8）涂覆一层PI，形成绝缘层8，绝缘层8包覆电极6、引线7和柔性衬底层5，如图8所示；
9）在绝缘层8表面涂光刻胶9，再通过光刻、显影去硅针尖4上的光刻胶9，露出硅针尖4上的绝缘层8，如图9所示；
10）刻蚀硅针尖4上的绝缘层8，露出电极6，去除光刻胶9，如图10所示；
11）采用湿法刻蚀工艺去除SOI衬底1的埋氧层102，不会对其他结构造成影响，如图11所示，然后剥离所述SOI衬底1的底部硅层103，即可得到柔性针尖电极，柔性针尖电极的结构如图12所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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)
1.一种柔性针尖电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供一SOI衬底；
S2、刻蚀所述SOI衬底的顶部硅层，形成硅针尖；
S3、在所述SOI衬底表面依次制作柔性衬底层、导电层和绝缘层；
S4、释放所述SOI衬底的埋氧层，得到柔性针尖电极。
2.如权利要求1所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述刻蚀所述SOI衬底的顶部硅层，形成硅针尖的具体步骤，包括：
在所述顶部硅层的表面沉积牺牲层；
刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案；
以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖；
去除所述掩模图案。
3.如权利要求2所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述在所述顶部硅层的表面沉积牺牲层的步骤具体包括：
在所述顶部硅层的表面沉积碳化硅层或二氧化硅层。
4.如权利要求3所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述刻蚀所述牺牲层，形成掩模图案的步骤具体包括：
刻蚀所述牺牲层，形成间隔设置的圆形掩模。
5.如权利要求4所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述以所述掩模图案自对准刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖的步骤具体包括：
以所述圆形掩模为自对准掩模版，采用各向同性的湿法刻蚀工艺刻蚀所述顶部硅层，形成所述硅针尖。
6.如权利要求1所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述在所述SOI衬底表面依次制作柔性衬底层、导电层和绝缘层的具体步骤，包括：
在所述SOI衬底表面沉积所述柔性衬底层，所述柔性衬底层至少部分覆盖所述硅针尖；
在所述柔性衬底层上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖；
在所述导电层上制备所述绝缘层，所述绝缘层露出所述硅针尖上的所述导电层。
7.如权利要求6所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述在所述柔性衬底层上制备导电层，所述导电层包覆所述硅针尖的具体步骤，包括：
在所述柔性衬底层上沉积一层导电薄膜；
刻蚀所述导电薄膜，形成电极和引线，所述电极对应包覆所述硅针尖。
8.如权利要求7所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述在所述导电层上制备所述绝缘层，所述绝缘层露出所述硅针尖上的所述导电层的具体步骤，包括：
在所述导电层上沉积一层绝缘层，刻蚀所述绝缘层，露出所述硅针尖上的所述导电层。
9.如权利要求1所述的柔性针尖电极的制备方法，其特征在于：所述释放所述SOI衬底的埋氧层，得到柔性针尖电极的具体步骤，包括：
采用湿法刻蚀工艺去除所述SOI衬底的埋氧层，剥离所述SOI衬底的底部硅层，得到所述柔性针尖电极。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的柔性针尖电极的制备方法制作的柔性针尖电极。
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