具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在神经工程系统中，例如，可以在动物的脑部植入神经微电极阵列，以搭建脑机接口系统，从而使得动物可以通过大脑的想法来直接控制机械臂运动。由于神经细胞体尺寸非常小，其直径通常在10微米至50微米之间，利用常规的宏观电极对神经活动进行探测非常困难，因此需要加工尺度在微米级的微型电极。

目前，在神经微电极的技术发展中，硅基神经微电极发展时间较长，其生物相容性已经得到广泛认可。不过，硅基材料的硬度远远高于脑组织的硬度，植入后会引起脑组织的免疫反应，这对于长期稳定记录脑电信号非常不利。因此，开发与脑组织硬度相当的柔性电极就受到了重视，并不断取得进展。但是，柔性神经微电极太柔软，容易弯曲，无法像硅基神经微电极一样直接插入脑组织，因而存在植入方面的技术难题。

针对柔性电极使用中存在的植入困难，本公开的实施例提供一种可充放流体的微电极。这种微电极在充入流体后，其硬度高于生物组织(例如脑组织)至少一个数量级，可以像硅基神经微电极一样，通过精密三维位移推进器实现直接插入式植入；在释放流体后，其硬度接近脑组织的硬度，可以和脑组织自然共存，不会由于硬度过大引起脑组织的排斥并引发免疫反应而发炎。

本公开至少一实施例提供一种微电极，该微电极包括衬底和导电层。导电层设置在衬底上，配置为传导电信号。衬底为柔性衬底且包括空腔结构，空腔结构配置为储存或释放流体，衬底在空腔结构中储存有流体时的硬度与衬底在空腔结构中没有流体时的硬度不同。

本公开至少一实施例还提供了一种上述微电极的制作方法和使用方法、塞类装置和微电极系统。

本公开实施例提供的微电极具有良好的延展性和稳定的电学性能，且综合了硅基神经微电极成熟的植入方法和柔性神经微电极与生物组织硬度相接近的独特优势，既便于植入生物组织，又不易引起生物组织的免疫反应，并且制作方法简单，操作性较强。

下面，将参考附图详细地说明本公开的实施例。应当注意的是，不同的附图中相同的附图标记将用于指代已描述的相同的元件。

图1A为本公开至少一实施例提供的一种微电极的示意框图。例如，如图1A所示，该微电极10包括衬底110和导电层120。导电层120设置在衬底110上，并且该导电层120被配置为传导电信号。该衬底110为柔性衬底，且包括空腔结构111，该空腔结构111被配置为储存或释放流体。衬底110在空腔结构111中储存有流体时的硬度与衬底110在空腔结构111中没有流体时的硬度不同。

图1B为本公开至少一实施例提供的一种微电极的立体示意图；图1C为本公开至少一实施例提供的一种微电极的俯视图。

参考图1B，本公开至少一实施例提供的微电极10包括衬底110和导电层120。导电层120设置在衬底110上，并且该导电层120被配置为传导电信号。导电层120的材料例如为金属及其合金，也可以为其他适用的导电材料。衬底110起支撑、保护等作用。该衬底110为柔性衬底，且包括空腔结构111，该空腔结构111被配置为储存或释放流体。衬底110在空腔结构111中储存有流体时的硬度与衬底110在空腔结构111中没有流体时的硬度不同。例如，当空腔结构111中储存有流体时，衬底110的硬度为第一硬度，当空腔结构111中没有流体时，衬底110的硬度为第二硬度，第一硬度大于第二硬度。

需要说明的是，在本公开的各种实施例中，术语“硬度”是指植入硬度。对于衬底110而言，其硬度可以理解为衬底110在整体上所表现出的柔软程度。在本文中，衬底110的硬度为衬底材料自身的弹性模量和充入流体时承受的压强这两方面因素在整体上所呈现出的柔软程度。对于生物组织(例如脑组织)而言，其硬度可以为生物组织自身的弹性模量。对于通常的硅基电极和柔性电极而言，其硬度可以为其衬底材料自身的弹性模量。通常情况下，脑组织的弹性模量是1～10kPa，通常的硅基电极(即硅基衬底)的弹性模量大于100GPa，通常的柔性电极(即柔性衬底)的弹性模量约为1～10GPa。由此可见，通常的柔性电极的弹性模量与脑组织的弹性模量更为接近。

对于本公开实施例提供的微电极10，其衬底110为柔性衬底，当空腔结构111中储存有流体时，衬底110承受的第一压强可以达到100-300kPa，此时衬底110的硬度为第一硬度，该第一硬度例如近似为第一压强和柔性衬底自身的弹性模量之和，则衬底110远硬于脑组织，从而便于将微电极10植入脑组织。当空腔结构111中没有流体时，衬底110承受的第二压强为0kPa，此时衬底110的硬度为第二硬度，该第二硬度近似等于柔性衬底自身的弹性模量，也就是说，衬底110的柔软程度与柔性衬底的柔软程度相当，此时，该微电极10较为柔软，易于弯曲，与脑组织的软硬程度接近，从而不会引起脑组织的免疫反应。

需要说明的是，在本文中，衬底110的硬度与衬底材料自身的弹性模量和充入流体时承受的压强这两方面因素是正相关的，它们之间具体的关系在本公开的各种实施例中不具体描述，这可以根据实际需求而定。

因此，在将本公开实施例所提供的微电极10植入生物组织(例如脑组织)之前，可以将流体(例如，空气)充入空腔结构111中，使得微电极10的整体硬度提高，从而可以像硅基神经微电极一样，便于直接植入生物组织。将微电极10植入生物组织后，可以释放空腔结构111中的流体，使得微电极10的整体硬度降低，恢复柔性微电极的硬度，释放流体后的微电极10具有良好的延展性，易于发生形变，适应组织结构的形状，可以实现紧密贴合，从而避免由于硬度过大导致生物组织的排斥，甚至引起免疫反应而发炎的问题。因此，本公开实施例所提供的微电极10综合了硅基神经微电极成熟的植入方法和柔性神经微电极与生物组织硬度相接近的独特优势，既便于植入生物组织，又不易引起生物组织的免疫反应，并且制作方法简单，操作性较强。

参见图1C，在本公开至少一实施例提供的微电极10中，衬底110包括位点区域1、过渡区域2和连接区域3。位于衬底110之上的导电层120包括位点部分121、传导部分122和连接部分123。如图1C所示，该位点部分121位于位点区域1，传导部分122位于过渡区域2，连接部分123位于连接区域3。例如，在一些实施例中，位点部分121配置为采集和/或输出电信号，连接部分123配置为输入和/或输出电信号，并且传导部分122配置为将电信号在该位点部分121和该连接部分123之间进行传输。

例如，在一些实施例中，如图1C所示，位点部分121包括多个电极点，传导部分122包括多条连接线，该连接部分123包括多个连接点，并且多个电极点、多条连接线和多个连接点一一对应，连接线的一端与对应的电极点电连接，连接线的另一端与对应的连接点电连接。

例如，在一些实施例中，位点部分121中的多个电极点可以是一组用于神经电信号刺激或记录的金属电极点阵列，连接部分123中的多个连接点可以是金属焊接点，传导部分123中的多条连接线可以是蛇形的、连接电极电和焊接点的金属细线。例如，在一些实施例中，电极点、连接线和连接点均由电镀的金属材料形成，这些金属材料可以是金、铂或铂铱合金等，当然，电极点、连接线和连接点也可以由其他导电材料形成，例如碳纳米管(CNT)聚合物、导电聚合物等。例如，在一些实施例中，为了避免微电极植入后对周围组织的划伤，电极点可以设计成无锐利棱角。例如，多个电极点可以以阵列的形式排布，多个连接点也可以以阵列的形式排布，多条连接线在过渡区域2中的部分可以彼此平行。关于电极点、连接线和连接点的具体构成材料和具体结构形式，本公开的实施例对此不作严格限制。

例如，在一些示例中，当需要采集生物组织的神经电信号时，可以利用位点部分121中的多个电极点采集该神经电信号，传导部分122中的多条连接线将神经电信号传输至连接部分123中的多个连接点。多个连接点与另行提供的处理电路电连接，从而可以将神经电信号传输至处理电路，并进行后续处理和分析。

例如，在另一些示例中，当需要向生物组织施加电信号时，连接部分123中的多个连接点接收另行提供的处理电路提供的电信号，传导部分122中的多条连接线将这些电信号传输至位点部分121中的多个电极点。多个电极点与生物组织直接接触，因此可以将这些电信号施加至生物组织，以刺激生物组织进行相应的神经活动。

参考图1C，在本公开的一些实施例中，微电极10所包括的空腔结构111位于图1C中数字4所指示的区域，可见空腔结构111横跨微电极10中的位点区域1、过渡区域2和连接区域3。该空腔结构111被配置为存储和释放流体。例如，空腔结构111位于衬底110的底部(例如在图1C中被衬底110遮挡)。

图2A为本公开至少一实施例提供的微电极中包括的一种空腔结构的示意图；图2B为本公开至少一实施例提供的微电极中包括的一种空腔结构的俯视图；图2C本公开至少一实施例提供的微电极中包括的其他可能形式的空腔结构的俯视图；图2D为本公开至少一实施例提供的微电极中包括的一种空腔结构的开口端的示意图。

参考图2A和图1C，例如，在本公开的一些实施例中，空腔结构111的一端为开口端，空腔结构111的另一端为闭合端，开口端位于图1C中所示的连接区域3，闭合端位于图1C中所示的位点区域1。

例如，在本公开的一些实施例中，空腔结构111包括彼此连通的第一腔体212和第二腔体213。如图2A和图2B所示，第一腔体212的形状为长方体，且位于图1C中所示的过渡区域2、连接区域3和位点区域1。而第二腔体213位于图1C中所示的位点区域1，并且第二腔体213在闭合端处的形状为尖端状。

例如，在图2A和图2B所示出的实施例中，第二腔体213在闭合端处的形状为三棱柱状；但是尖端状不仅限于三棱柱状，例如，在一些实施例中，如图2C所示，第二腔体213在闭合端处可以是倒梯形状，还可以是圆锥状。需要说明的是，本公开的实施例中所示出的三棱柱状、倒梯形状和圆锥状仅仅是示意性的，并不是为了限制尖端状的具体形状。此外，在一些实施例中，第一腔体212的形状也可以是圆柱体，本公开的实施例对此不作限制。

在本公开的实施例中，将第二腔体213在闭合端处的形状设计为尖端状，可以使得微电极10在空腔结构111充入流体之后，即硬度提高之后，从闭合端更易于植入生物组织。此外，为了避免划伤周围的生物组织，尖端状的顶端可以设计为曲面，因此，本公开的实施例对尖端状的具体形状不作严格限制，只要能使得微电极10在硬度提高之后便于植入生物组织即可。

参考图2B和图2D，例如，在本公开的一些实施例中，微电极10的第一腔体213的宽度W为30微米至90微米。例如，在本公开的一些实施例中，微电极10的第一腔体213的高度H为10微米至90微米。例如，在本公开的一些实施例中，微电极10的空腔结构111的长度L等于衬底110的长度。例如，在本公开的一些实施例中，微电极10的衬底110包括围绕空腔结构111的绝缘壁112，该绝缘壁112的厚度h为1微米至6微米。

需要说明的是，本公开的实施例所提供的微电极10中的空腔结构111的具体高度H、宽度W和长度L以及绝缘壁112的厚度h可以根据实际情况进行调整，本公开的实施例对此不作严格限制。

例如，在一些实施例中，流体可以是空气，也可以是单一组分气体，例如，氩气、氧气等。例如，在一些实施例中，流体还可以是液体，例如，具有药性的溶液等。

需要说明的是，本文所描述的流体的成分可以根据实际需求来确定，只要满足当流体充入空腔结构111以后，微电极10的整体硬度提高，达到便于植入的效果即可，因此，本公开的实施例对此不作具体限制。

在本公开至少一实施例所提供的微电极10中，衬底110为柔性衬底。例如，衬底110的材料为聚合物材料，例如为聚酰亚胺、聚对二甲苯或光感环氧树脂光刻胶(例如SU-8胶)等，或者多种聚合物材料的组合。

由柔性材料构成的衬底，使得本公开至少一实施例所提供的微电极10在流体释放后，可以具有良好的柔性和延展性，易于发生形变，适应组织结构的形状，实现紧密贴合，其良好的延展性也可以保证电极点随组织的形变一起发生位置移动，使电极点与目标细胞的相对位置基本固定，不会因组织形变而出现记录或刺激错位，并且硬度与生物组织相接近，可以和生物组织自然共存。

例如，在本公开的一些实施例中，如图2E所示，微电极10还包括保护层130。该保护层130覆盖传导部分122并暴露位点部分121和连接部分123，保护层130起保护、屏蔽、绝缘等作用。保护层130的材料例如采用聚合物材料。例如，保护层130的材料可以与衬底110的材料相同或不同。

需要说明的是，在本公开的一些实施例中，保护层130可以覆盖整个传导部分122，例如，保护层130可以覆盖传导部分122中的所有连接线。在本公开的另一些实施例中，保护层130可以覆盖传导部分122中的一部分，例如，保护层130可以覆盖传导部分122中的部分连接线，本公开的实施例对此不作限制。

图3为本公开至少一实施例所提供的微电极的一种塞类装置的示意图。

本公开至少一实施例所提供的塞类装置30用于与本公开实施例提供的微电极10配合工作。例如，塞类装置30配置为在空腔结构111充入流体后封闭该空腔结构111，使得空腔结构111存储流体，以及打开空腔结构111，使得空腔结构111中的流体流出。

如图3所示，例如，在一些实施例中，塞类装置30可以是与空腔结构111的开口端相适配的活塞片。例如，在一些实施例中，当塞类装置30封闭空腔结构111时，在图3中的标号301所指示的部分被塞入空腔结构111中，以紧密封闭空腔结构111的开口端。例如，在另一些实施例中，塞类装置30可以是与空腔结构111的开口端相适配的气囊活塞。

需要说明的是，本公开的实施例对塞类装置30的具体结构不作限制，只要能实现在空腔结构111充入流体后可以封闭该空腔结构111，使得空腔结构111存储流体，以及可以打开空腔结构111，使得空腔结构111中的流体流出的功能即可。例如，塞类装置30可以采用弹性材料制备，例如橡胶等。

图4A为本公开至少一实施例提供的一种微电极系统的示意框图；图4B为本公开至少一实施例提供的另一种微电极系统的示意框图。

如图4A所示，本公开至少一实施例提供的一种微电极系统40包括上述任一实施例所述的微电极10和上述实施例所述的塞类装置30。微电极10和塞类装置30配合工作，具体说明可参考上文内容，此处不再赘述。

如图4B所示，例如，在本公开的一些实施例中，微电极系统40除了包括微电极10和塞类装置30以外，还可以包括流体控制装置401，该流体控制装置401配置为向空腔结构111注入或吸出流体。本公开的实施例对流体控制装置401的具体结构不作限制，只要能实现向空腔结构111注入或吸出流体的功能即可。例如，流体控制装置401可以为气泵、液体泵等。

图5为本公开至少一实施例提供的一种制作如上任一实施例所述的微电极的方法的流程图；图6A-6H为本公开至少一实施例提供的一种微电极在制作过程中的立体示意图；图7A-7H为本公开至少一实施例提供的一种微电极在制作过程中的横截面示意图。

以下结合图5和图6A-7H，详细描述本公开至少一实施例提供的一种制作微电极10的方法500，该方法500包括以下操作。

步骤501，提供硅片。

如图6A和图7A所示，例如，在一些实施例中，采用标准硅片作为支撑衬底。

步骤502，在硅片上形成第一绝缘层。

如图6B和图7B所示，例如，在一些实施例中，在硅片上沉积第一绝缘层。第一绝缘层的材料可以是聚对二甲苯、聚酰亚胺和光感环氧树脂光刻胶(例如SU-8胶)中的至少一种。例如，在进行沉积之前，还可以对硅片进行清洗、烘干等操作。

步骤503，在第一绝缘层上形成填充部，填充部的形状和大小与空腔结构的形状和大小相同。

如图6C和图7C所示，例如，在一些实施例中，通过光刻工艺用光刻胶定义出微尺寸空腔结构的形状，也就是说，用光刻胶形成该填充部。

步骤504，在第一绝缘层上形成第二绝缘层，第二绝缘层覆盖填充部；

如图6D和图7D所示，例如，在一些实施例中，在第一绝缘层上沉积第二绝缘层，第二绝缘层也覆盖第一绝缘层上的填充部。例如，第二绝缘层的材料也可以是聚对二甲苯、聚酰亚胺和光感环氧树脂光刻胶(例如SU-8胶)中的至少一种。

步骤505，在第二绝缘层上形成导电层。

如图6E和图7E所示，例如，在一些实施例中，在第二绝缘层的表面，通过光刻、电子束蒸镀、剥离等微纳加工工艺制作微电极和引线，也就是说，在第二绝缘层的表面通过微纳加工工艺制作导电层中的位点部分、传导部分和连接部分。

步骤506，在第二绝缘层上形成第三绝缘层，该第三绝缘层覆盖导电层的传导部分且暴露导电层的位点部分和连接部分。

如图6F和图7F所示，例如，在一些实施例中，在第二绝缘层上再沉积第三绝缘层，并且通过光刻工艺(例如显影和刻蚀等工艺)把导电层的位点部分和连接部分露出来，以便输入和输出电信号。例如，第三绝缘层的材料可以是聚对二甲苯、聚酰亚胺和光感环氧树脂光刻胶(例如SU-8胶)中的至少一种。

步骤507，溶解填充部。

如图6G和图7G所示，例如，在一些实施例中，填充部的材料为光刻胶，在这种情况下，可以使用丙酮等适合的溶液去除光刻胶，即溶解填充部，以形成所期望的空腔结构。需要说明的是，填充部的材料也可以是其他材料，只要能在后续步骤中被溶解，或者被牺牲，以形成所期望的空腔结构即可，本公开的实施例对此不做具体限制。

步骤508，使第一绝缘层与硅片分离，以形成微电极。

如图6H和图7H所示，例如，在一些实施例中，使用盐溶液来电解硅片，以将整个微电极从硅片上释放出来。

需要说明的是，上述实施例中所描述的衬底包括第一绝缘层和第二绝缘层，而第三绝缘层相当于上述实施例中所描述的保护层。此外，第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的材料可以为同一种聚合物材料。

需要说明的是，本实施例中描述的制作工艺过程仅仅是示例性的，可以在本实例所描述的操作的基础上替换、添加或省略一些相关步骤，本公开的实施例对此不作具体限制。需要说明的是，本公开实施例附图仅仅是示例性的，附图中各材料层的厚度，大小等可以根据实际需求而定，本公开的实施例对此不作具体限制。

图8为本公开至少一实施例提供的微电极的使用方法的流程图。

如图8所示，本公开至少一实施例提供的微电极的使用方法800包括以下操作。

步骤801，向微电极的空腔结构充入流体并封闭空腔结构。

例如，在一些实施例中，将流体(例如，空气、氧气或者溶液等)充入微电极的空腔结构，例如，可以使用上述实施例描述的流体控制装置来实施将流体充入微电极的空腔结构的这一操作。并且，例如用上述实施例描述的塞类装置(例如，活塞片或者气囊活塞等)来封闭该空腔结构，使得微电极的整体硬度提高，例如，其硬度高出生物组织的硬度一个数量级，以便植入生物组织。

步骤802，将微电极植入生物组织。

例如，在一些实施例中，由于充入流体后的微电极的硬度提高，可以使用成熟的硅基神经微电极植入方法来将充入流体后的微电极植入生物组织中。例如，在一些实施例中，通过精密三维位移推进器实现微电极的直接插入式植入。需要说明的是，本公开的实施例对植入方法不作具体限制。

步骤803，打开空腔结构并释放空腔结构中的流体。

例如，在一些实施例中，使塞类装置(例如，活塞片或者气囊活塞等)与空腔结构分离，从而打开空腔结构的开口端。例如，在一些实施例中，使用上述实施例描述的流体控制装置来实施将流体从微电极的空腔结构释放的这一操作，例如，可以采用流体控制装置将流体从空腔结构中抽出。此时，释放了流体的微电极的硬度与通常的柔性微电极的硬度近似相等，因此具有一般柔性微电极的优点，例如，良好的柔性和延展性，可以与生物组织实现紧密贴合等。因此，本公开实施例所提供的微电极综合了硅基神经微电极成熟的植入方法和柔性神经微电极与生物组织硬度相接近的独特优势，既便于植入生物组织，又不易引起生物组织的免疫反应，并且制作方法和使用方法简单，操作性较强。

对于本公开，还有以下几点需要说明：

(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。

(2)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上所述仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。