專利名稱：一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，可應(yīng)用于神經(jīng) 康復(fù)、神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
神經(jīng)工程系統(tǒng)是目前一個(gè)非?；钴S且發(fā)展迅速的研究領(lǐng)域，比如腦-機(jī) 接口，神經(jīng)假體等問題受到越來越多的關(guān)注。在神經(jīng)工程系統(tǒng)中，最基本關(guān) 鍵的部分是神經(jīng)-電子接口，即電極，它的功能主要表現(xiàn)為兩種形式 一種 是將神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被記錄下來進(jìn)行分析研究， 一種是利用電信號(hào)激 勵(lì)或抑制神經(jīng)活動(dòng)以實(shí)現(xiàn)功能性電刺激(ftinctional electrical stimulation ,
FES)。電極的性能直接影響神經(jīng)電刺激和神經(jīng)信號(hào)記錄的質(zhì)量。
有限損傷情況下高密度電極是目前的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，是進(jìn)行高選擇性 電刺激或記錄的保證。為了增加電極的高密度，目前一般通過利用MEMS 工藝加工制作高密度的微電極陣列來實(shí)現(xiàn)。所用的基底材料一般有剛性和柔 性兩大類，剛性的材料主要有硅；柔性的材料主要是聚酰亞胺、聚對(duì)二甲苯 等聚合物材料。為了保證記錄或刺激電極與神經(jīng)束的良好接觸，以及減小電 極對(duì)生物組織的損傷，越來越多的微電極采用聚合物作為基底材料來制作。 雙面電極能在同樣的損傷情況下，提高電極的密度，實(shí)現(xiàn)高密度電極。 基于聚合物基底雙面電極制作的難點(diǎn)在于在MEMS工藝中，聚合物材料需 要在基片上加工。這就導(dǎo)致了背面電極制作的復(fù)雜性。目前來說，基于聚合 物基底的雙面電極鮮有報(bào)道唯一的報(bào)道[Stieglitz T. "Flexible biomedical microdevices with double-sided electrode arrangements for neural
applications"[J].Sensors and Actuators A: Physical, 2001， 90( 3): 203-211.]，使用
非光敏的聚酰亞胺采用預(yù)先掩埋Al掩膜的方法采用多步反應(yīng)離子刻蝕制作 柔性雙面電極。當(dāng)正面電極制作完成后，從基底上"小心地"揭下薄膜電極， 反轉(zhuǎn)貼附。然而，此"揭下"和"貼附"的非標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝步驟難以保 證薄膜的完整性和平坦性，進(jìn)而制約著器件的成品率。本發(fā)明設(shè)想提供一種 植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，克服了上述工藝的缺點(diǎn)，既簡(jiǎn)化了 工藝流程，又可提高成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，通 過采用柔性聚合物作為結(jié)構(gòu)材料和加工雙面電極結(jié)構(gòu)，在有限損傷的情況 下，提高神經(jīng)電刺激和信號(hào)記錄的空間分辨率。本發(fā)明的目的是通過以下措
施來達(dá)到首先在硅基片上制作犧牲層，然后其上制作一層聚合物絕緣層， 并通過甩涂光刻膠、光刻、濺射、Lift-off (剝離)工藝制作金屬層、聚合物 圖形化來制作正面電極；通過玻璃基片上制作圖形化聚合物鍵合層，以熱壓
方式將其與硅基片電極面局部鍵合，腐蝕犧牲層實(shí)現(xiàn)電極反轉(zhuǎn)；最后甩涂光 刻膠、光刻、濺射、剝離工藝制作金屬層、聚合物圖形化來制作反面電極， 并通過光刻形成的聚合物凹槽結(jié)構(gòu)釋放雙面電極。
本發(fā)明提供的一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特征在 于所述的犧牲層通過氧化硅片形成二氧化硅膜，然后再蒸發(fā)鋁膜或?yàn)R射鉻、
鈦膜形成，其厚度在10nm 2iam之間；所述絕緣層通過旋涂聚酰亞胺或沉積 聚對(duì)二甲苯制作，其厚度在100nm 10(Vm之間；所述正面和反面電極通過 光刻和剝離(Lift-off)工藝制作；所述聚合物鍵合層通過光刻工藝在玻璃基 片上形成，其厚度在100nm 100pm之間，并通過熱壓鍵合硅基片電極面與 玻璃基片聚合物面完成鍵合；熱壓鍵合施加的強(qiáng)壓為104~"105Pa，溫度為340 —360'C時(shí)間為0.5 — 1.5小時(shí)。所述電極面反轉(zhuǎn)是通過酸腐蝕或電化學(xué)腐蝕 去除犧牲層來實(shí)現(xiàn)的；所述雙面電極的釋放通過光刻制作凹槽結(jié)構(gòu)定義電極輪廓，并沿凹槽撕裂完成，凹槽寬度在2pm 10(^m之間。
本發(fā)明與目前常用的聚合物單面電極相比，能夠在有限損傷的情況下， 提高神經(jīng)電刺激和信號(hào)記錄的空間分辨率一倍。另外，本發(fā)明使用的制備方 法是與傳統(tǒng)的微機(jī)電(MEMS)加工工藝(主要包括光刻、濺射、Lift-off 及犧牲層釋放)相兼容，可標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)，能夠制作微小精密的電極， 且電極制備方法簡(jiǎn)單，易于批量生產(chǎn)。所制作的植入式雙面柔性電極可以在 同樣損傷的情況下，提供比單面電極高一倍的刺激或記錄分辨率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例在硅基片上蒸發(fā)鋁膜制作犧牲層后結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為本發(fā)明實(shí)施例在硅基片上制作正面電極后的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為本發(fā)明實(shí)施例在玻璃基片上制作聚合物鍵合層后的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4本發(fā)明實(shí)施例實(shí)現(xiàn)局部鍵合后結(jié)構(gòu)示意圖
圖5為本發(fā)明實(shí)施例除去犧牲層后實(shí)現(xiàn)電極反轉(zhuǎn)至玻璃基片上后的示意
圖
圖6為本發(fā)明實(shí)施例在反轉(zhuǎn)電極后制作反面電極的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7為本發(fā)明實(shí)施例完成釋放后的雙面電極結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
下面結(jié)合附圖采用聚酰亞胺聚合物進(jìn)一步說明本發(fā)明基于聚合物基底 的雙面電極的制備方法。
1、 將硅片1浸泡于5% (vol)氫氟酸溶液中5分鐘，除去硅片表面的 自然氧化層，并使用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗方法清洗硅片，然后蒸發(fā)lpm厚的金屬 鋁膜2制作犧牲層(如圖l所示)。
2、 旋涂聚酰亞胺光刻膠3(durimide 7510) (3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)、100°C 前烘5分鐘、曝光，顯影，最后在35(TC的氮?dú)猸h(huán)境下完全亞胺化，制得5pm
厚的聚酰亞胺絕緣層，其中包含最終釋放電極的凹槽結(jié)構(gòu)。
3、 旋涂光刻膠6809 (3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，80。C前烘20分鐘，曝光， 顯影，濺射Ti/Pt金屬層4 (TilOOA， Ptl500A)，利用Lift-off工藝實(shí)現(xiàn)該 金屬層的圖形化，制作正面電極的電極位點(diǎn)、連接導(dǎo)線和焊接位點(diǎn)。
4、 旋涂聚酰亞胺光刻膠3 (durimide7510) (3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)、100 'C前烘5分鐘、曝光，顯影，最后在35(TC的氮?dú)猸h(huán)境下完全亞胺化；制作 5^m厚的聚酰亞胺薄膜，絕緣封裝電極的連接導(dǎo)線部分，并暴露正面電極的 電極位點(diǎn)以及焊接位點(diǎn)，其中包含最終釋放電極的凹槽結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。
5、 清洗玻璃基片5，旋涂聚酰亞胺光刻膠3 (durimide7510) (3000轉(zhuǎn)/ 分鐘，30秒)、IO(TC前烘5分鐘、曝光，顯影，形成局部鍵合區(qū)(如圖3 所示)。
6、 將硅基片電極面貼合于玻璃基片鍵合面上，在104Pa附加壓強(qiáng)作用 下35(TC熱處理1個(gè)小時(shí)完成鍵合(如圖4所示)。
7、 10% (vol)的鹽酸溶液腐蝕鋁膜犧牲層3，除去硅基片l，使電極 反轉(zhuǎn)至玻璃基片5上(如圖5所示)。
8、 在反轉(zhuǎn)后的聚酰亞胺絕緣層上甩涂光刻膠6809 (3000轉(zhuǎn)/分鐘，30 秒)，8(TC前烘20分鐘，曝光，顯影，濺射Ti/Pt金屬層(Til00A， PU500 A)，利用Lift-off工藝制作反面電極的電極位點(diǎn)、連接導(dǎo)線和焊接位點(diǎn)。
9、 旋涂聚酰亞胺光刻膠(durimide 7510) (3000轉(zhuǎn)/分鐘，30秒)，100 。C前烘5分鐘、曝光、顯影，最后在350'C的氮?dú)猸h(huán)境下完全亞胺化，制得 5pm厚的聚酰亞胺薄膜絕緣封裝反面電極連接導(dǎo)線，并暴露出反面電極的電 極位點(diǎn)以及焊接位點(diǎn)(如圖6所示)。
10、 沿著凹槽結(jié)構(gòu)撕下電極薄膜，釋放得到雙面電極結(jié)構(gòu)(如圖7所示)。 最終得到的基于聚合物基底的雙面電極，其特征在于兩面具有電刺激
點(diǎn)。將該微電極植入神經(jīng)組織中，相對(duì)于傳統(tǒng)的電極達(dá)到更加有效的神經(jīng)刺 激和信號(hào)記錄的效果。
權(quán)利要求
1、一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)在硅基片上制作犧牲層結(jié)構(gòu)；2)在犧牲層上制作一層聚合物絕緣層；3)在聚合物絕緣層上通過甩涂光刻膠、光刻、濺射和剝離工藝制作金屬層、聚合物圖形化制作正面電極；4)在玻璃基片上制作聚合物鍵合層；5)將硅基片電極面與玻璃基片聚合物面鍵合；6)腐蝕犧牲層，實(shí)現(xiàn)電極面反轉(zhuǎn)；7)在聚合物絕緣層的反面制作反面電極；8)通過光刻形成的聚合物凹槽結(jié)構(gòu)釋放雙面電極。
2、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于硅基片上犧牲層是通過氧化硅片形成二氧化硅膜，然后再在其上蒸發(fā) 鋁膜或?yàn)R射輅或鈦膜形成的，其厚度為10nm-2nm。
3、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于所述的聚合物絕緣層為聚酰亞胺或聚對(duì)二甲苯，其厚度為100nm— 100,
4、 按權(quán)利要求1或4所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法， 其特征在于所述的聚合物絕緣層是通過旋涂或沉積方法制備的。
5、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于玻璃基片上制作的圖形化聚合物層的厚度在100nm—10um之間。
6、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于硅基片電極面與玻璃基片聚合物面是通過熱壓方法鍵合的；熱壓時(shí)施 加壓強(qiáng)為104—105Pa，溫度為340—36℃時(shí)間為0.5 — 1.5小時(shí)。
7、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于所述的電極反轉(zhuǎn)是通過酸腐蝕或電化學(xué)腐蝕去除犧牲層實(shí)現(xiàn)的。
8、 按權(quán)利要求1所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，其特 征在于所述的通過光刻制作凹槽結(jié)構(gòu)定義電極輪廓，沿凹槽撕裂釋放雙面電極。
9、按權(quán)利要求1或8所述的植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法， 其特征在于所述的凹槽寬度在2um 10um之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種植入式雙面柔性微陣列電極的制備方法，該方法以柔性聚合物作為微電極基底材料，首先在硅基片上制作犧牲層，通過剝離(Lift-off)、聚合物圖形化制作正面電極；然后將硅基片電極面與已完成聚合物圖形化的玻璃基片通過熱壓局部鍵合，并通過腐蝕犧牲層去除硅基片，實(shí)現(xiàn)電極反轉(zhuǎn)；最后通過剝離、聚合物圖形化來制作背面電極，并以凹槽結(jié)構(gòu)定義雙面電極的輪廓，實(shí)現(xiàn)雙面電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的基于聚合物基底的雙面電極制備方法具有與微機(jī)電加工工藝兼容、可標(biāo)準(zhǔn)化大批量制作的特點(diǎn)，所制作的植入式雙面柔性電極可以在同樣損傷的情況下，提供比單面電極高一倍的刺激或記錄分辨率。
文檔編號(hào)A61N1/05GK101172185SQ20071004623
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者周洪波, 源 姚, 孫曉娜, 剛 李, 趙建龍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所