專利名稱：植入式微針尖電極及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)和植入式微電極技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種植入式微針尖電極及其制作方法。
背景技術(shù)：
植入式微針尖電極是一種用于電刺激神經(jīng)和記錄神經(jīng)電信號的神經(jīng)接口，相比于平面型微電極優(yōu)勢在于，刺激點可以深入組織內(nèi)部，與神經(jīng)細胞形成良好接觸，提高電刺激的效率或采集信號的信噪比。植入式微針尖電極需要較強韌性和硬度，在不損壞組織結(jié)構(gòu)的同時易于扎入組織，并耐受組織內(nèi)電化學反應(yīng)腐蝕，更重要的是，需要較好的生物兼容性，才能長期穩(wěn)定刺激神經(jīng)和記錄神經(jīng)電信號。現(xiàn)有微針尖電極加工技術(shù)中，除了傳統(tǒng)微絲電極外，猶他針尖電極和密西根針尖電極是最為常用的微針尖電極，采用成熟的硅基集成電路加工技術(shù)和微電子機械系統(tǒng)加工技術(shù)，可精確控制刺激點的尺寸和空間分布，并能于CMOS信號處理電路整合。由于加工工藝不同，猶他針尖電極是縱向的針尖，密西根針尖電極是橫向的針尖，有著以下幾個缺點 1、均采用脆性和生物不兼容的硅材料作為機械支撐，微電極自身容易損壞并會進一步對組織造成損傷，不適于生物體內(nèi)長期植入；2、針尖尺寸受到工藝限制，猶他針尖最長只能做到 1. 5mm,密西根針尖厚度不超過15 μ m ；3、猶他針尖每個針尖上只有一個刺激點，只能進行體內(nèi)同一深度的神經(jīng)電刺激或記錄。目前，利用生物兼容性良好的Parylene (聚對二甲苯)，結(jié)合MEMS (微電子機械系統(tǒng))加工技術(shù)制作微針尖電極逐漸受到重視。美國加州理工學院戴聿昌研究小組在本領(lǐng)域有一些值得借鑒的成果，在文件“Novel Monolithic Silicon Probes with Flexible Parylene Cables for Neural Prostheses，，IEEE-EMBS MMB, Okinawa, Japan, May 9-12, 2006.中，制作出首例以Parylene作為絕緣材料的硅針尖電極，其類似與密西根針尖電極， 每根針尖上具有若干個刺激點，并整合了柔性Parylene引線，易于外部電路連接及三維針尖陣列的組裝。不過，該微針尖電極的針尖結(jié)構(gòu)還是采用的易脆和生物不兼容的硅材料，并應(yīng)用高成本的DRIE(深反應(yīng)離子刻蝕)制作硅針尖，大幅度提高了工藝成本。北京大學微電子所李志宏等人公開的發(fā)明專利(中國專利公開號CN101398614， 發(fā)明名稱“一種基于Parylene的三維針尖電極陣列的制作方法”)中，提出了利用硅三維針尖陣列制備出基于Parylene柔性襯底的三維針尖電極陣列，該電極陣列是一種類似于三明治結(jié)構(gòu)的Parylene-金屬層-Parylene三層結(jié)構(gòu)，具有較好的生物兼容性，可降低芯片的功耗和面積，增強電刺激效果，可用于針對人工視網(wǎng)膜修復的視網(wǎng)膜下植入手術(shù)。但卻存在以下不足(1)微電極針尖是通過硅三維針尖陣列為模型轉(zhuǎn)印而成，類似于猶他針尖，其針尖長度受到硅片厚度限制；( 微針尖電極的針尖是中空的，無任何機械支撐導致硬度不夠，不利于扎入組織，很難應(yīng)用于其他神經(jīng)電刺激或記錄的研究領(lǐng)域。綜上所述，現(xiàn)有的微針尖電極存在機械性能低、生物兼容性差、對組織損傷較大、尺寸不易控制、工藝成本高、靈敏度低、可靠性低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種植入式微針尖電極及其制作方法，其具有機械性能高、生物兼容性好、對組織損傷輕微、尺寸精確可控、靈敏度高、可靠性高的特點。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種植入式微針尖電極的制作方法，包括以下步驟A 在鍍有鋁膜的硅片上通過聚對二甲苯生長、光刻、濺射、濕法腐蝕和氧等離子體刻蝕制作聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的金屬電極層，包括刺激點、互連線和引線接點；B:通過光刻、電鍍制作金屬鎳或鎳合金機械支撐層，包括金屬鎳或鎳合金微針尖和引線接點底座支撐體；C:濕法腐蝕鋁膜犧牲層，正面鍵合干膜，背面氧等離子體刻蝕，直至暴露出刺激點和引線接點；D 濕法腐蝕所述干膜，并用去離子水清洗，得到微針尖電極。優(yōu)選地，所述步驟A進一步包括Al 利用硅片并蒸發(fā)鋁膜制作鋁膜犧牲層；A2:在所述鋁膜犧牲層上淀積聚對二甲苯作為隔離絕緣層，并對所述隔離絕緣層進行圖形化，確定刺激點和引線接點的位置和大小，確定刺激點陣列區(qū)域、連接引線和引線接點區(qū)域的輪廓；A3:制作微針尖電極的刺激點、互連線和引線接點，并在其上淀積聚對二甲苯隔離絕緣層，形成聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的電極層。優(yōu)選地，所述步驟A2，還包括采用正性光刻膠或鈦膜作為刻蝕所述隔離絕緣層的掩膜，通過兩次光刻和氧等離子體刻蝕，實現(xiàn)所述隔離絕緣層的圖形化。優(yōu)選地，所述步驟A3中，制作微針尖電極的刺激點、互連線和引線接點，包括溉射金屬合金層并進行光刻，濕法腐蝕出刺激點、互連線和引線接點圖形，或者先進行光刻， 而后濺射金屬合金層，采用剝離工藝制作金屬電極圖形。優(yōu)選地，所述步驟B中，所述電鍍包括通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜，來電鍍鎳或鎳合金。優(yōu)選地，所述步驟B還包括淀積聚對二甲苯隔離絕緣層。一種利用前述方法制作的植入式微針尖電極，包括刺激點陣列區(qū)域、連接引線和引線接點區(qū)域；其中，所述刺激點陣列區(qū)域通過所述連接引線連接所述引線接點區(qū)域；所述刺激點陣列區(qū)域包括多個金屬鎳或鎳合金微針尖、金屬合金互連線和聚對二甲苯隔離絕緣層；所述金屬鎳或鎳合金微針尖上分布預定的若干凸起刺激點；所述連接引線為聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)；所述引線接點區(qū)域包括包含引線接點和引線接點底座支撐體。
優(yōu)選地，所述金屬鎳或鎳合金微針尖長為2. 5mm,寬為160 μ m,厚為30 50 μ m,相鄰金屬鎳或鎳合金微針尖的間距為160 μ m。優(yōu)選地，所述金屬合金互連線寬為40 μ m，相鄰互連線的間距為60 μ m，所述刺激點大小為20 μ mX 20 μ m，相鄰刺激點的間距為100 μ m，所述連接引線長為10mm，寬為Imm, 厚為12 μ m。優(yōu)選地，所述引線接點底座支撐體采用金屬鎳或鎳合金材料，大小為整個引線接點區(qū)域大小，厚度為30 50μπι。(三)有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的植入式微針尖電極制作方法及植入式微針尖電極有以下優(yōu)點(1)采用電鍍技術(shù)制作出高硬度高韌性的金屬鎳或鎳合金針尖代替脆性的硅材料針尖，厚度可控、工藝成本更低，同時植入安全方便，減輕了對組織的損傷，更適合長期植入。(2)充分利用MEMS加工工藝，微針尖和刺激點的形狀、尺寸和位置可精確控制，制作出的微針尖電極可用于不同的神經(jīng)研究領(lǐng)域，比如，大尺寸微針尖電極可以用于深部腦電刺激，進行帕金森綜合癥手術(shù)治療；而小尺寸微針尖電極可進行昆蟲神經(jīng)生物研究，為制作昆蟲飛行器奠定基礎(chǔ)。(3)由于刺激點是凸起的結(jié)構(gòu)，能更緊密地與神經(jīng)細胞接觸，進一步降低電刺激的工作電流，提高采集信號的信噪比。G)Parylene具有透明光滑、化學穩(wěn)定性、生物兼容性和較強機械性能，是制作生物微電極最理想的絕緣材料。此外，一體化制造出基于Parylene的柔性連接引線，不僅有利于微針尖電極與外部電路的電學連接，而且可以實現(xiàn)將若干個微針尖電極組裝成三維微針尖電極陣列。


圖1為本發(fā)明所述植入式微針尖電極的制作方法的流程圖；圖2為本發(fā)明所述植入式微針尖電極的制作方法的工藝流程圖；圖3為本發(fā)明所述植入式微針尖電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明所述的植入式微針尖電極的制作方法，包括以下步驟A 在鍍有鋁膜的硅片上通過聚對二甲苯生長、光刻、濺射、濕法腐蝕和氧等離子體刻蝕制作聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的金屬電極層，包括刺激點、互連線和引線接點；本步驟可采用下述方法實現(xiàn)。Al 利用硅片2并蒸發(fā)鋁膜1制作鋁膜犧牲層，其中，鋁膜1厚度可以為約lym， 如圖2(a)；
A2:在所述鋁膜犧牲層上淀積聚對二甲苯作為隔離絕緣層，并對所述隔離絕緣層進行圖形化，確定刺激點和引線接點的位置和大小，確定刺激點陣列區(qū)域、連接引線和引線接點區(qū)域的輪廓，其中，刺激點和引線接點圖形深度可以為約6 μ m，輪廓圖形深度可以為約 12 μ m,聚對二甲苯隔離絕緣層9的厚度約為20 μ m，如圖2 (b)；本步驟中，采用正性光刻膠或鈦膜作為刻蝕所述隔離絕緣層的掩膜，通過兩次光刻和氧等離子體刻蝕，實現(xiàn)所述隔離絕緣層的圖形化。A3 制作微針尖電極的刺激點3、互連線4和引線接點5，并在其上第二次淀積聚對二甲苯隔離絕緣層，形成聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的電極層，其中，聚對二甲苯隔離絕緣層的淀積厚度可以為約2 μ m，如圖2 (c)。本步驟中，制作微針尖電極的刺激點、互連線和引線接點，可以通過濺射金屬合金層并進行光刻，濕法腐蝕出刺激點、互連線和引線接點圖形，或者先進行光刻，而后濺射金屬合金層，采用剝離工藝制作金屬電極圖形。B:通過光刻、電鍍制作金屬鎳或鎳合金機械支撐層，包括金屬鎳或鎳合金微針尖 6和引線接點底座支撐體7;本步驟中，所述電鍍可以通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜，來電鍍鎳或鎳合金。制作金屬鎳或鎳合金微針尖和引線接點底座支撐體之后，第三次淀積聚對二甲苯隔離絕緣層，其中，所述厚膠的厚度可以為約30 μ m，所述聚對二甲苯隔離絕緣層的淀積厚度可以為約4 μ m，如圖2 (d)。C 濕法腐蝕鋁膜犧牲層，正面鍵合干膜8，背面氧等離子體刻蝕，直至暴露出刺激點和引線接點，如圖2(e)。本步驟中，所述濕法腐蝕鋁膜犧牲層可以通過150 200°C熱板加熱數(shù)十分鐘后用磷酸、冰醋酸和硝酸混合溶液腐蝕鋁膜。D 濕法腐蝕所述干膜，并用去離子水清洗，得到微針尖電極，如圖2(f)。如圖3所示，本發(fā)明所述的利用前述方法制作的植入式微針尖電極，包括刺激點陣列區(qū)域10、連接引線11和引線接點區(qū)域12 ；其中，所述刺激點陣列區(qū)域10通過所述連接引線11連接所述引線接點區(qū)域12 ；所述刺激點陣列區(qū)域10包括多個金屬鎳或鎳合金微針尖6、金屬合金互連線4 和聚對二甲苯隔離絕緣層9;所述金屬鎳或鎳合金微針尖6上分布預定的若干凸起刺激點3 ；所述連接引線11為聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)；所述引線接點區(qū)域12包括包含引線接點5和引線接點底座支撐體7。其中，所述金屬鎳或鎳合金微針尖6長可以為2. 5mm，同時寬可以為160 μ m，厚可以為30 50 μ m，例如30 μ m、38 μ m或42 μ m，相鄰金屬鎳或鎳合金微針尖6的間距可以為 160 μ m0其中，所述連接引線11長可以為10mm，同時寬可以為1mm，厚為10 15 μ m，例如 12 μ m gJc 14 μ m。其中，所述金屬合金互連線4寬可以為40 μ m，同時相鄰互連線4的間距可以為 60 μ m，所述刺激點3大小可以為20 μ mX20 μ m,同時相鄰刺激點3的間距可以為100 μ m。所述引線接點底座支撐體7可以采用金屬鎳或鎳合金材料，大小可以為整個引線
7接點區(qū)域大小，厚度可為30 50 μ m。例如厚度為32 μ m、40 μ m或者46 μ m。
以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，包括以下步驟A 在鍍有鋁膜(1)的硅片( 上通過聚對二甲苯生長、光刻、氧等離子體刻蝕、濺射和濕法腐蝕制作聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的金屬電極層，包括刺激點(3)、 互連線⑷和引線接點(5)；B 通過光刻、電鍍制作金屬鎳或鎳合金機械支撐層，包括金屬鎳或鎳合金微針尖(6) 和引線接點底座支撐體(7)；C 濕法腐蝕鋁膜犧牲層，正面鍵合干膜(8)，背面氧等離子體刻蝕，直至暴露出刺激點和引線接點；D 濕法腐蝕所述干膜，并用去離子水清洗，得到微針尖電極。
2.如權(quán)利要求1所述的植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，所述步驟A進一步包括Al 利用硅片(2)并蒸發(fā)鋁膜(1)制作鋁膜犧牲層；A2 在所述鋁膜犧牲層上淀積聚對二甲苯作為隔離絕緣層(9)，并對所述隔離絕緣層進行圖形化，確定刺激點⑶和引線接點(5)的位置和大小，確定刺激點陣列區(qū)域(10)、連接引線(11)和引線接點區(qū)域(12)的輪廓；A3 制作微針尖電極的刺激點(3)、互連線(4)和引線接點(5)，并在其上淀積聚對二甲苯隔離絕緣層，形成聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的電極層。
3.如權(quán)利要求2所述的植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，所述步驟A2，還包括采用正性光刻膠或鈦膜作為刻蝕所述隔離絕緣層的掩膜，通過兩次光刻和氧等離子體刻蝕，實現(xiàn)所述隔離絕緣層的圖形化。
4.如權(quán)利要求2所述的植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，所述步驟A3中， 制作微針尖電極的刺激點(3)、互連線(4)和引線接點(5)，包括濺射金屬合金層并進行光刻，濕法腐蝕出刺激點、互連線和引線接點圖形，或者先進行光刻，而后濺射金屬合金層，采用剝離工藝制作金屬電極圖形。
5.如權(quán)利要求1所述的植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，所述步驟B中，所述電鍍包括通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜，來電鍍鎳或鎳合金。
6.如權(quán)利要求1所述的植入式微針尖電極的制作方法，其特征在于，所述步驟B還包括淀積聚對二甲苯隔離絕緣層。
7.—種植入式微針尖電極，其特征在于，包括刺激點陣列區(qū)域(10)、連接引線(11)和引線接點區(qū)域(1 ；其中，所述刺激點陣列區(qū)域(10)通過所述連接引線(11)連接所述引線接點區(qū)域(12)；所述刺激點陣列區(qū)域包括多個金屬鎳或鎳合金微針尖(6)、金屬合金互連線(4)和聚對二甲苯隔離絕緣層(9)；所述金屬鎳或鎳合金微針尖(6)上分布預定的若干凸起刺激點(3)；所述連接引線(11)為聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)；所述引線接點區(qū)域(12)包括包含引線接點(5)和引線接點底座支撐體(7)。
8.如權(quán)利要求7所述的植入式微針尖電極，其特征在于，所述金屬鎳或鎳合金微針尖 (6)長為2. 5mm,寬為160 μ m,厚為30 50 μ m，相鄰金屬鎳或鎳合金微針尖(6)的間距為 160 μ m0
9.如權(quán)利要求7所述的植入式微針尖電極，其特征在于，所述金屬合金互連線(4)寬為 40 μ m,相鄰互連線的間距為60 μ m,所述刺激點(3)大小為20 μ mX 20 μ m，相鄰刺激點(3) 的間距為100 μ m，所述連接引線(11)長為10mm，寬為1mm，厚為12 μ m。
10.如權(quán)利要求7所述的植入式微針尖電極，其特征在于，所述引線接點底座支撐體 (7)采用金屬鎳或鎳合金材料，大小為整個引線接點區(qū)域大小，厚度為30 50μπι。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植入式微針尖電極及其制作方法，涉及微電子機械系統(tǒng)和植入式微電極技術(shù)領(lǐng)域，所述方法包括以下步驟A在鍍有鋁膜(1)的硅片(2)上制作聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結(jié)構(gòu)的金屬電極層，包括刺激點(3)、互連線(4)和引線接點(5)；B通過光刻、電鍍制作金屬鎳或鎳合金機械支撐層，包括金屬鎳或鎳合金微針尖(6)和引線接點底座支撐體(7)；C濕法腐蝕鋁膜犧牲層，正面鍵合干膜(8)，背面氧等離子體刻蝕，直至暴露出刺激點和引線接點；D濕法腐蝕所述干膜，并用去離子水清洗，得到微針尖電極。本發(fā)明具有機械性能高、生物兼容性好、植入方便、對組織損傷輕微、尺寸精確可控、靈敏度高、可靠性高的特點。
文檔編號A61N1/05GK102289148SQ201110247840
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者余懷強, 李志宏, 王朔, 王瑋 申請人:北京大學