具体实施方式

本发明提供了一种神经微探针及其制备方法，其神经微探针包括：光波导、磁电阻传感器、平面线圈和激励电极；光波导设置在磁电阻传感器均位于设置在基底第一面上；平面线圈和激励电极均设置在基底第二面上，平面线圈一端与激励电极连接，激励电极对平面线圈施加直流或交流，平面线圈产生磁刺激或者为磁电阻传感器提供恒定或交变的偏置磁场，适用于对大脑指定脑区进行磁调控。本发明通过MEMS微加工工艺集成磁电阻传感器、光波导、微电极和微纳线圈于一体，实现磁-光-电调控与多模信号检测，可用于对神经系统的神经信息进行侵入性的调控与检测，在实现同步调控与检测的同时具有微型化、集成化、多功能、对组织损伤小的优点。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种神经微探针。图1为本发明实施例神经微探针第一面的结构示意图。图2为本发明实施例神经微探针第二面的结构示意图。如图1、图2所示，本发明神经微探针包括：光波导、磁电阻传感器、平面线圈和激励电极。如图1所示，光波导设置在基底第一面上；光波导一端设置在所述神经微探针上，且光波导沿所述神经微探针延伸，光波导另一端与光纤相连。两个磁电阻传感器均位于光波导一侧，且设置在基底第一面上；磁电阻传感器适用于检测神经磁生理信号。如图2所示，平面线圈和激励电极均设置在基底第二面上，平面线圈一端与激励电极连接。其中，基底第二面为与基底第一面相背的一面。磁电阻传感器和激励电极均通过引线与PCB板连接。本实施例中集成磁-光调控与多模信号检测一体化，通过MEMS加工技术在基底上实现调控与信号检测器件的微型化、集成化、一体化，使用方便，大大提升了实验效率。

以下分别对本实施例神经微探针的各个组成部分进行详细描述。

基底，选用SOI(绝缘衬底上的硅)片。

光波导，用于传导光源发出的光，对大脑指定脑区进行光调控。光波导一端设置在基底第一面上并沿神经微探针纵向延伸，光波导另一端延伸至神经微探外并与光纤相连。光波导的材料可以选择铌酸锂、钛酸锂等薄膜材料，厚度为300-900nm，宽度为1-2μm，具有尺寸小、易于MEMS工艺集成、传输损耗低的优点。

磁电阻传感器，位于光波导的另一侧，用于检测神经磁生理信号。所述磁电阻传感器的结构包括磁性层(各向异性磁电阻传感器)，或者磁性层、中间层和磁性层的三明治结构(巨磁电阻传感器和隧道磁电阻传感器)，具有室温下高灵敏、低功耗的优点。

磁电阻传感器的磁性层一般由Co、Fe、Ni的一种或多种合金构成，或者由两种合金的双层构成(例如CoFe-NiFe双层)；所述磁电阻传感器的中间层为绝缘层(隧道磁电阻传感器时)，一般由氧化铝、氧化镁、氧化镁铝、氧化镁镓，氧化镁锌等氧化物中的一种构成，或非磁性层(巨磁电阻传感器)，一般由铜、银、铜锌合金、银锌合金、银镁合金中的一种构成。

传感器形状为5段长40-50μm，宽3-6μm的折形，或者宽1-6μm，长40-120μm的轭形。

平面线圈和激励电极，平面线圈位于基底的第二面，与平面线圈激励电极相连，通过激励电极对平面线圈施加直流或交流，从而产生磁刺激或者为磁电阻传感器提供恒定或交变的偏置磁场，用于对大脑指定脑区的磁调控。偏置磁场的磁场强度设置在磁电阻传感器的线性工作区间内，使磁电阻传感器获得更好的线性和灵敏度。平面线圈由导电材料构成，本实施例中平面线圈的形状呈“回”字螺旋形状，边长为150-200μm。激励电极的电极材料可以选择生物相容性好的金属或金属氧化物，形状为边长20-50μm的正方形。

触点分布在神经微探针两面探针的尾部，电生理微电极、电生理参比电极、电化学微电极、对电极、电化学参比电极、磁电阻传感器以及平面线圈激励电极均通过引线连接至触点。引线及触点可以选择生物相容性好的金属或金属氧化物，厚度为150-400nm。

整个神经微探针表面除电极外均覆盖有绝缘层，用于对整个神经微探针进行绝缘，防止器件在生物组织中使用时被介质腐蚀而失效。绝缘层的材料可以选择二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、氧化铝、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一个或多个。

在本发明的第一个示例性实施例中，还提供了一种神经微探针的制备方法。图3为本发明实施例神经微探针的制备方法的示意图。如图4所示，本发明神经微探针的制备方法包括：

步骤S11：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗基底。

步骤S12：在基底层第一面上沉积光波导膜层，光刻并刻蚀出光波导形状。

步骤S13：在基底层第一面上沉积磁电阻传感器膜层，光刻并刻蚀出磁电阻传感器形状。

步骤S14：高温磁场退火定义所述磁电阻传感器的敏感方向。

步骤S15：沉积绝缘层，光刻并刻蚀出窗口。

步骤S16：在基底层第二面沉积金属薄膜导电层，光刻并刻蚀出平面线圈及激励电极形状。

步骤S17：沉积绝缘层，光刻并刻蚀出窗口。

步骤S18：旋涂电极涂层，光刻并刻蚀出电化学微电极形状。

步骤S19：通过深反应离子刻蚀(DRIE)定义最终的探针形状。

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种神经微探针。与第一个示例性实施例提供的一种神经微探针的区别在于，第二个示例性实施例中，如图4所示，提供了一种神经微探针第一面上还包括：生理电极组、电化学电极组。优选地，电生理电极组和电化学电极组均位于光波导另一侧，且设置在基底第一面上；电生理电极组、电化学电极组均通过引线与PCB板连接。

以下分别对本实施例神经微探针的各个组成部分进行详细描述。

电生理电极组包括：电生理微电极和电生理参比电极。电生理微电极和电生理参比电极，均位于所述光波导一侧，且设置在所述基底第一面上。电生理微电极用于检测神经电生理信号或产生电刺激；在电生理信号检测或施加电刺激的过程中，电生理参比电极用于提供参考电位。电生理微电极和电化学微电极的形状为边长10-50μm的正方形，电生理参比电极、对电极为边长20-100μm的正方形。

电化学电极组包括：电化学微电极、对电极和电化学参比电极。电化学微电极、对电极和电化学参比电极均位于所述光波导一侧，且设置在所述基底第一面上。具体的，电化学微电极表面涂覆电极涂层，与对电极、电化学参比电极一起构成三电极体系，形成电流回路，用于神经递质的电化学检测。为了提高检测神经递质多巴胺的选择性，电极涂层可以选择PEDOT：PSS(聚3，4-乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐))。具体的，对电极一般选择Pt、Au、铂合金、金合金、纳米材料等，电化学参比电极选择Ag、AgCl。电化学微电极的形状为边长10-50μm的正方形，对电极以及电化学参比电极均为边长20-100μm的正方形。

在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了一种神经微探针的制备方法。图5为本发明实施例神经微探针的制备方法的示意图。如图5所示，本发明神经微探针的制备方法包括：

步骤S21：依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗基底。

步骤S22：在基底层第一面上沉积光波导膜层，光刻并刻蚀出光波导形状。

步骤S23：在基底层第一面上沉积磁电阻传感器膜层，光刻并刻蚀出磁电阻传感器形状。

步骤S24：高温磁场退火定义所述磁电阻传感器的敏感方向。

步骤S25：在基底层第一面沉积金属薄膜导电层，并通过剥离工艺定义电生理电极组、电化学电极组、引线和触点。

步骤S26：沉积绝缘层，光刻并刻蚀出窗口。

步骤S27：在基底层第二面沉积金属薄膜导电层，光刻并刻蚀出平面线圈及激励电极形状。

步骤S28：沉积绝缘层，光刻并刻蚀出窗口。

步骤S29：旋涂电极涂层，光刻并刻蚀出电化学微电极形状。

步骤S210：通过深反应离子刻蚀(DRIE)定义最终的探针形状。

为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明神经微探针及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供一种集成磁-光-电调控与多模信号检测一体化的神经微探针及其制备方法，对丰富神经科学研究手段、提高实验效率、增强调控与检测同步性能有重大的科学意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。