一种具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列
阅读说明：本技术 一种具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列 (Neural microelectrode array with electrophysiological recording and multi-modal stimulation functions ) 是由 王明浩 樊晔 程瑜华 王高峰 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列。目前,由于受到集成技术和刺激伪迹的影响,大部分的多功能神经微电极阵列都不具有同时进行电生理记录、电刺激、光刺激和微流体刺激的功能。本发明采用ACF导电胶作为黏合层,通过热压键和实现微LED与多功能硅探针的光电集成。另一方面,为了避免记录通道中出现刺激伪迹,本发明在记录电极和刺激电极之间,硅探针与PI供电层之间均设置了金属屏蔽层,为实现微电极阵列同时进行高时空分辨率的刺激与记录提供技术和理论基础。同时,本发明在单个硅探针上同时集成了电记录、电刺激、光刺激和微流体刺激功能,大大提高了神经微电极阵列的多功能性。(The invention discloses a neural microelectrode array with electrophysiological recording and multi-modal stimulation functions. At present, most of multifunctional neural microelectrode arrays do not have the functions of simultaneously performing electrophysiological recording, electrical stimulation, optical stimulation and microfluidic stimulation due to the influence of integration technology and stimulation artifacts. The invention adopts ACF conductive adhesive as an adhesive layer, and realizes the photoelectric integration of the micro LED and the multifunctional silicon probe through hot pressing. On the other hand, in order to avoid stimulation artifacts in the recording channel, metal shielding layers are arranged between the recording electrode and the stimulation electrode and between the silicon probe and the PI power supply layer, so that a technical and theoretical basis is provided for realizing stimulation and recording of the microelectrode array with high space-time resolution simultaneously. Meanwhile, the invention integrates the functions of electric recording, electric stimulation, optical stimulation and microfluid stimulation on a single silicon probe, thereby greatly improving the versatility of the neural microelectrode array.)
技术领域
本发明属于MEMS生物传感器技术领域，具体涉及一种用于电生理记录和多模态刺激的多功能神经微电极阵列的制备与集成方法，该芯片是通过MEMS微加工和微组装技术在PI和硅衬底上实现神经微电极阵列的制备与集成。
背景技术
目前，在世界范围内因神经系统疾病造成的死亡率高达12％，这些疾病包括癫痫、帕金森震颤和多发性硬化症。如今，人们可以通过记录癫痫病人的局部场电位来确认病灶位置，并通过手术切除或者电刺激病灶来预防癫痫发作。此外，通过对下丘脑和苍白球进行深脑电刺激还可以缓解由晚期帕金森疾病引起的震颤。因此，重大脑疾病诊断、治疗与干预，已成为我国脑计划中最具有现实意义和未来价值的三大支柱之一。而高时空分辨率地刺激和记录神经活动对了解神经元之间如何交流以及行为功能如何发生异常重要。
为实现神经微电极阵列的刺激与记录功能，目前常采用的办法就是将记录电极与光纤、光波导、LD/LED进行集成。美国密西根大学的F.Wu博士在论文“An implantableneural probe with monolithically integrated dielectric waveguide andrecording electrodes for optogenetics applications”中将集成在密西根电极上的氮氧化硅光波导与光纤进行耦合实现了8通道记录和1通道光刺激。然而，这种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，德国弗莱堡大学的P.Ruther教授在论文“Compact Silicon-based Optrode with Integrated Laser Diode Chips,SU-8Waveguides and Platinum Electrodes for Optogenetic Applications”中使用裸激光二极管(LD)与聚合物SU-8光波导进行耦合实现了8通道记录和4通道光刺激。美国密西根大学的E.Yoon教授在论文“Dual color optogenetic control of neural populationsusing low-noise,multishank optoelectrodes”中进一步将多个具有不同波长的LD与氮氧化硅光波导进行耦合，从而实现了32通道记录和4通道的光刺激/抑制功能。为了提高光刺激分辨率，美国密西根大学的E.Yoon教授在论文“Monolithically Integrated mu LEDson Silicon Neural Probes for High-Resolution Optogenetic Studies in BehavingAnimals”中进一步将12个微LED和32个记录电极点单片集成在4个硅基微探针上，其LED和电极点的空间分辨率可小于1微米。该方法制备的多功能神经微电极能够同时实现光刺激以及电生理记录的功能。通过对上述关于多功能神经微电极的研究现状进行分析不难发现，目前大部分的多功能神经微电极阵列都不具有同时进行电生理记录、电刺激、光刺激和微流体刺激的功能。这一方面是因为目前大部分神经微电极的制备工艺与微LED或者微流体通道的制备工艺兼容性较差导致的。另一方面，电刺激、光刺激和微流体刺激过程中在记录通道中引入的刺激伪迹也限制了神经微电极的多功能集成。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，利用MEMS微加工技术实现具有电生理记录、光刺激、电刺激和流体给药功能的新型多功能神经微电极阵列的制备与集成。
一种具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列，包括硅探针和PI供电层；所述的硅探针上集成有记录电极点、刺激电极点、微LED和微流体通道，分别实现电记录、电刺激、光刺激和微流体给药。记录电极点与刺激电极点之间通过接地的金属层和金属导线隔离开。微LED和微流体通道均嵌入在硅探针内。微LED通过硅探针上的定位槽进行对准，并利用ACF热压与PI供电层上的微LED焊盘键合。
作为优选，硅探针与PI供电层通过ACF黏合层热压键合在一起；硅探针上还分布有金属焊盘。金属焊盘与PI排线电气连接。PI供电层上还分布有供电焊盘。记录电极点和刺激电极点分别通过金属导线与对应的金属焊盘连接。
作为优选，所述的刺激电极点的周围均布有四个环形接地电极点；刺激电极点及其导线与记录电极点及其导线被金属屏蔽层和环形接地电极点及其导线隔离开。
作为优选，硅探针的长度为5-100毫米，宽度为100-1000微米，厚度为20-200微米；记录电极点的直径为10-50微米，刺激电极点和接地电极点的直径为10-100微米。
作为优选，记录电极点、刺激电极点、微LED和微流体通道同步或异步进行电生理记录、电刺激、光刺激和流体刺激。
作为优选，微LED完全嵌入硅探针上的定位槽内。
该具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列的制备方法如下：
步骤一、神经微电极阵列中PI供电层和ACF黏合层的制备与集成。
步骤二、神经微电极阵列中硅探针的制备与集成。
步骤三、神经微电极阵列中微LED的集成。
作为优选，制备方法步骤一的具体过程如下：
(1)在石英玻璃片上形成牺牲层。牺牲层通过沉积铝得到，或通过旋涂PMMA得到。
(2)在牺牲层上旋涂聚酰亚胺溶液并加热固化。
(3)在步骤(2)所得的聚酰亚胺薄膜上沉积一层金属层。随后，使用光刻胶作为掩模，将金属层图形化为微LED焊盘和供电焊盘。
(4)在微LED焊盘上贴附一层ACF导电胶并热压。
(5)在单面抛光硅片表面采用热氧化法制备一层氧化硅作为绝缘层。
(6)在步骤(5)所得的绝缘层上溅射沉积一层金属层作为电磁屏蔽层。
(7)在步骤(6)所得的电磁屏蔽层上沉积一层氧化硅作为绝缘层。
(8)将硅片有氧化硅的一面贴到步骤(1)-(7)形成的PI供电层上并热压键合。随后，将硅片减薄到50-200微米厚度。
作为优选，制备方法步骤二的具体过程如下：
(1)键合在PI供电层的硅片上沉积一层氧化硅绝缘层。
(2)将步骤(1)得到的氧化硅绝缘层图形化为微流体通道的硬掩模，随后使用深硅刻蚀形成沟道结构，最后采用PECVD保形沉积一层氧化硅将沟道结构的上开口闭合。
(3)使用磁控溅射系统在氧化硅上沉积一层铬/金薄膜。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将铬/金薄膜图形化为刺激电极点、导线和焊盘，形成刺激电极层。
(4)在刺激电极层上沉积一层氧化硅作为绝缘层，再在该绝缘层上沉积一层铬/金薄膜。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将铬/金薄膜图形化为电磁屏蔽层。
(5)在电磁屏蔽层上沉积一层氧化硅作为绝缘层。随后在该绝缘层上沉积一层铬/金薄膜。接着，使用光刻胶作为掩模，利用离子束刻蚀技术将铬/金薄膜图形化为记录电极点、导线和焊盘。最后，再次沉积一层氧化硅作为记录电极的绝缘层。
(6)使用光刻胶作为掩模，利用RIE技术暴露出刺激电极点、记录电极点、焊盘和轮廓。
作为优选，制备方法步骤三的具体过程如下：
(1)利用图形化的光刻胶作为掩模，分别使用DRIE、RIE、湿法刻蚀和RIE将硅、氧化硅、铬/金和氧化硅刻蚀掉，暴露出微LED焊盘上的ACF。
(2)使用热压机将微LED与微LED焊盘键合在一起，实现电气导通与机械粘合。
(3)沉积一层parylene C或旋涂一层PI作为微LED的电气绝缘层。随后，使用图形化的光刻胶作为掩模，利用RIE将电气绝缘层图形化，暴露出记录电极点和刺激电极点和焊盘。
(4)溶解牺牲层，释放玻璃片衬底。随后，在PI供电层的表面沉积一层parylene C或旋涂一层PI作为PI供电层的电气绝缘层。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用ACF导电胶作为黏合层，并通过热压键合工艺一步实现了微LED与多功能硅探针的电学连接和机械粘合，大大提高了多功能硅探针的光电集成效率。
2、本发明的微LED和微流体通道均嵌入在硅探针内，避免增大硅探针截面积，减小了植入损伤。
3、本发明通过在金属导线的布置时，将连接刺激电极点的导线与连接记录电极点的导线被连接接地电极点的导线隔离开，从而进一步避免外部输入刺激信号与采集出的记录信号发生相互干扰，提高本发明多个不同功能相互之间的独立性和稳定性。
4、本发明在单个硅探针上同时集成了电记录、电刺激、光刺激和微流体刺激功能，大大提高了神经微电极阵列的多功能性。
附图说明
图1为本发明的整体结构爆炸图；
图2为本发明中硅探针的正面结构示意图；
图3为本发明中PI供电层和ACF黏合层的制备与集成工艺流程图；
图4为本发明中硅探针的制备与集成工艺流程图；
图5为本发明中微LED的具体集成工艺流程图；
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，一种具有电生理记录和多模态刺激功能的神经微电极阵列，包括硅探针1、ACF黏合层2、PI供电层3、微LED4和PI排线8。硅探针1与PI供电层3通过ACF黏合层2热压键合在一起。金属焊盘6与PI排线8通过ACF导电胶实现电气连接。PI供电层3上分布着微LED焊盘5和供电焊盘7。
如图2所示，硅探针1上分布着记录电极点9、环形接地电极点10、刺激电极点11，定位槽12和微流体通道13。微流体通道13位于硅探针1的一侧。记录电极点9、环形接地电极点10和刺激电极点11分别通过金属导线与对应的金属焊盘6连接在一起。微LED4通过定位槽12定位，并通过ACF导电胶与PI供电层3上的微LED焊盘实现电学连通和机械粘合。一个刺激电极点11和环绕在该刺激电极点11周围的多个环形接地电极点10，组成一个电刺激单元。多个电刺激单元与多个定位槽12依次交替排列。多组记录电极点9与多个电刺激单元分别并排设置。硅探针1与PI供电层3之间，以及记录电极点9与电刺激单元之间设置有电磁屏蔽层。连接刺激电极点11的导线与连接记录电极点9的导线被连接接地电极点10的导线隔离开。硅探针1的长度为5-100毫米，宽度为100-1000微米，厚度为20-200微米；记录电极点9的直径为10-50微米，刺激电极点11和接地电极点10的直径为10-100微米。
实施例1
一种高多功能神经微电极阵列的具体制备步骤如下：
步骤1、如图3所示，神经微电极阵列中PI供电层和ACF黏合层的制备与集成，具体过程如下：
(1)采用电子束蒸发系统在石英玻璃片上沉积一层300纳米厚的铝作为牺牲层。
(2)在铝牺牲层上旋涂5微米厚的聚酰亚胺溶液，静置5分钟后进行前烘，前烘温度为80℃烘10分钟，120℃烘30分钟，150℃烘10分钟，180℃烘10分钟，220℃烘40分钟。此步工艺形成PI供电层的第一绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在聚酰亚胺薄膜(第一绝缘层)上沉积一层铬/金薄膜，厚度分别为20/200纳米。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将铬/金薄膜图形化为微LED焊盘和供电焊盘。
(4)在微LED焊盘上贴附一层ACF导电胶，并利用热压机将其初步固定。热压机的工作压力为0.1Mpa，温度为140摄氏度，时间为5秒。
(5)在单面抛光硅片表面采用热氧化法制备一层500纳米厚的氧化硅作为绝缘层。
(6)在氧化硅(步骤5所得的绝缘层)上溅射沉积一层厚度分别为20/200纳米的铬/金薄膜作为电磁屏蔽层。
(7)在铬/金薄膜(电磁屏蔽层)上采用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅作为PI供电层的第二绝缘层。
(8)将硅片有氧化硅的一面贴到玻璃片上的PI供电层，并利用热压机将硅片和玻璃片键合在一起，热压机的工作压力为0.2Mpa，温度为240℃，时间为15秒。随后，使用磨片机将硅片的厚度减薄到200微米。
步骤2、神经微电极阵列中硅探针的制备与集成，具体过程如下：
(1)在减薄的硅表面使用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅绝缘层。
(2)使用光刻和反应离子刻蚀(RIE)将氧化硅图形化为2微米宽的沟道结构。随后，使用各向同性深硅刻蚀(DRIE)形成管状沟道结构，并采用PECVD保形沉积一层1微米厚的氧化硅将管状沟道结构的上开口闭合。
(3)使用磁控溅射系统在氧化硅上沉积一层铬/金薄膜，厚度分别为20/200纳米。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将金属膜图形化为刺激电极点、导线和焊盘，形成刺激电极层。
(4)在刺激电极层上采用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅作为绝缘层，再次使用磁控溅射系统在氧化硅上沉积一层20/200纳米厚的铬/金薄膜。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将金属薄膜图形化为电磁屏蔽层。
(5)在电磁屏蔽层上采用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅作为绝缘层。随后，使用磁控溅射系统在氧化硅上沉积一层20/200纳米厚的铬/金薄膜。接着，使用光刻胶作为掩模，利用离子束刻蚀技术将金属薄膜图形化为记录电极点、导线和焊盘。最后，再次使用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅作为记录电极的绝缘层。
(6)使用光刻胶作为掩模，利用RIE技术将氧化硅图形化，暴露出刺激电极点和记录电极点、焊盘和轮廓。
步骤3、神经微电极阵列中微LED的集成，具体过程如下：
(1)利用图形化的光刻胶作为掩模，分别使用DRIE、RIE、湿法刻蚀和RIE将硅、氧化硅、铬/金和氧化硅刻蚀掉，暴露出微LED焊盘上的ACF。
(2)使用贴片机将微LED放入硅片上的定位槽内，使用热压机将微LED与下方的焊盘键合在一起，热压机的工作压力为0.2Mpa，温度为240摄氏度，时间为15秒。此步实现微LED与硅探针的电气导通与机械粘合。
(3)在键合微LED的一面使用化学气相沉积系统(CVD)保形沉积一层5微米厚的parylene C作为微LED的电气绝缘层。随后，使用图形化的光刻胶作为掩模，利用RIE将parylene C图形化，暴露出记录电极点和刺激电极点和焊盘。
(4)在稀盐酸溶液中溶解掉铝牺牲层，释放玻璃片衬底。随后，在PI供电层的表面使用CVD保形沉积一层5微米厚的parylene C作为PI供电层的电气绝缘层。
实施例2
步骤1、神经微电极阵列中PI供电层和ACF黏合层的制备与集成，具体过程如下：
(1)在石英玻璃片上旋涂PMMA并加热固化，固化条件为110°加热5分钟，150°加热5分钟，180°加热10分钟。此步工艺形成PI供电层的牺牲层。
(2)在PMMA上旋涂5微米厚的聚酰亚胺溶液，静置5分钟后进行前烘，前烘温度为80℃烘10分钟，120℃烘30分钟，150℃烘10分钟，180℃烘10分钟，220℃烘40分钟。此步工艺形成PI供电层的第一绝缘层。
(3)使用磁控溅射系统在聚酰亚胺薄膜上沉积一层铜薄膜，厚度为200纳米。随后，使用光刻胶作为掩模，利用湿法刻蚀技术将金属薄膜图形化为微LED焊盘和供电焊盘。
(4)在微LED焊盘上贴附一层ACF导电胶，并利用热压机将其初步固定。热压机的工作压力为0.1Mpa，温度为140摄氏度，时间为5秒。
(5)在单面抛光硅片表面采用PECVD系统制备一层500纳米厚的氧化硅作为绝缘层。
(6)在氧化硅上溅射沉积一层厚度为200纳米的铜薄膜作为电磁屏蔽层。
(7)在铜薄膜上采用PECVD系统沉积一层500纳米厚的氧化硅作为PI供电层的第二绝缘层。
(8)将硅片有氧化硅的一面贴到玻璃片上的PI供电层，并利用热压机将硅片和玻璃片键合在一起，热压机的工作压力为0.2Mpa，温度为240℃，时间为15秒。随后，使用磨片机将硅片减薄到200微米厚度。
步骤2、神经微电极阵列中硅探针的制备与集成，具体过程同实施例1.
步骤3、神经微电极阵列中微LED的集成，具体过程如下：
(1)利用图形化的光刻胶作为掩模，分别使用DRIE、RIE、湿法刻蚀和RIE将硅、氧化硅、铬/金和氧化硅刻蚀掉，暴露出微LED焊盘上的ACF。
(2)使用贴片机将微LED放入硅片上的定位槽内，使用热压机将微LED与下方的微LED焊盘键合在一起，热压机的工作压力为0.2Mpa，温度为240摄氏度，时间为15秒。此步实现微LED与硅探针的电气导通与机械粘合。
(3)在键合微LED的一面旋涂一层5微米厚的PI作为微LED的电气绝缘层。随后，使用图形化的光刻胶作为掩模，利用RIE将PI图形化，暴露出记录电极点和刺激电极点和焊盘。
(4)在丙酮溶液中溶解掉PMMA层，释放玻璃片衬底。随后，在PI供电层的表面旋涂一层5微米厚的PI作为PI供电层的电气绝缘层。