专利名称：三维有源组装神经硅微电极阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于测量人体脑部的生物电信号技术领域，特别涉及一种三维有 源组装神经硅微电极阵列。
背景技术：
神经硅微电极，是指以硅为材料，利用硅微机械加工技术制作的微探针 或微探针阵列。它可以用来测量单个神经元细胞通过电化学产生的生物电势， 并能从外部对单个神经元细胞进行电刺激，从而实现记录测量信号和提供激 励信号的功能。很多与中枢神经系统有关的疾病，包括小儿麻痹症，帕金森 综合症，失明，耳聋等，用传统的治疗方法无法痊愈，而神经刺激方法是一 种很有潜力的疗法。其次，改进记录探针的结构和测量设备对于实现长期， 稳定，高质量地记录神经信号有着重要影响。神经电极的研制为神经生理学 的发展提供了可靠的实验手段，推动了神经形态工程学的发展，使神经生理 学解码人脑思维过程称为可能。神经硅微电极的研制将极大地推动我国神经 生理学的发展，具有重大的社会意义和学术意义，且巿场前景广阔，经济意 义客观。若将信号处理电路与探针集成在一起，则称为有源神经微电极；反之， 称为无源神经微电极。有源神经硅微电极的研究设计，结合了现代微电子技 术，集成电路技术和神经科学的先进研究成果，对于神经损伤的研究及其功能 恢复有着重要意义。当某个神经元细胞受到足够的来自外界的刺激时，它的细胞膜就会去极 化，产生出细胞的离子电流。这个电流导致的电压可以通过插在神经元间隙 中合适的电极探针来观测。探针记录信号的强弱取决于探针的结构和特性。神经微电极的研究应着重从两方面考虑 一是电极材料及制作加工工艺，二是电极结构。在电极材料的选择上，要求神经电极的材料与组织不仅要有高度的机械生物相容性，还要有生物相似性；高度的柔韧性，以免随着机体软组织的活 动而发生断裂；能够经受住组织液的长期腐蚀，而不发生组织的不良反应和 机械损伤。此外还需要电极能够良好的固定于神经而不发生移动，并能保证 与神经的紧密连接。在设计电极结构的时候，应保证电极的物理和电学特性有高度的可重复性，测点的位置，形状，间距，以及电极导线的间距都应受到精密地控制。 一个典型的二维硅微电极应包括以下几个部分测点，电极导线，集成电子电路，引线。现有的神经微电极多为无源单点测量微电极，由于是手工制作，机械和 电子特性的重复性很难保证。此外，神经微电极的结构多停留在一维，二维, 而此种结构是很难达到理想信号记录效果的。同时，所制作出的电极与临床 应用还有很大差距。它的高经济成本和工艺上难以实现也阻碍了神经微电极 的发展应用。本发明设计了 一种三维有源组装神经硅微电极阵列。 一种三维有源组装神经硅微电极阵列，包括两个二维神经硅微电极，基板和梳状隔板；其中，二维电极与基板通过插接方式连接；梳状隔板与两个二维电极也通过插接方式连接，起到固定电极的作用。作为一种改进方案， 一种三维有源组装神经硅微电极阵列，还包括安装 在基板上的前置放大器，用于将生物电信号放大。三维电极阵列相对于二维电极的优点在于(1) 三维有源电极阵列可以多角度获得相对更加准确的神经信号；且此种结构便于加工组装，经济成本低廉。(2) 避免在基板上刻穿小尺寸孔，从而降低加工难度，保证产品的成品发明内容(3)当电极探针和基板组装时，探针部分无需穿过基板上的孔。这样就 避免了探针受损。
图l 二维电极剖面图； 图2基板剖面图； 图3测点工艺结构图；图l-图3中，l代表上隔离层(Si02), 2代表金属导线层(Au), 3代表下 隔离层(Si02), 4代表金属PAD, 5代表Si衬底，6代表蚀刻穿的一个孔；图4实施例1的三维硅微电极阵列装配示意图；图中，7a代表实施例 1的二维硅微电极，7b代表实施例1的基板，7c代表实施例1的梳状隔板； 图5实施例1的二维硅微电极示意图； 图6实施例l的基板示意图； 图7实施例1的梳状隔板示意图；图8实施例2的三维硅微电极阵列装配示意图；图中，8a代表实施例 2的二维硅微电极，8b代表实施例2的基板，8c代表实施例2的梳状隔板； 图9实施例2的二维硅微电极示意图； 图10实施例2的基板示意图； 图11实施例2的梳状隔板示意图； 图12实施例1的二维硅微电极版图； 图13实施例1的基板版图； 图14实施例1的梳状隔板版图； 图15实施例2的二维硅微电极版图； 图16实施例2的基板版图； 图17实施例2的梳状隔板版图；图18金属PAD局部放大版图；图中，2代表金属导线，4代表金属PAD,5代表Si基底；图19探针臂上的测点局部放大版图；图中，2代表金属导线，4代表 金属PAD, 5代表Si基底。
具体实施方式
材料选择方面选取微电子工艺的通用材料硅及硅化合物。因为其具备良好的生物相 容性，是理想的电极和衬底材料。最终选择400pm厚的双面抛光半径2英寸 (100)面N型单晶硅片。电极及基板上的导体材料选用金属金Au。结构设计方面由二维电极，基板，梳状隔板组成。 于基板上组装成一个三维电极阵列。微机械加工工艺主要步骤通过梳状隔板将两片二维电极固定硅片清洗，硅片氧化，去胶，掺杂，薄膜淀积，光刻，刻蚀，金属化， 剥离。根据加工对象的不同增减步骤。本发明采用MEMS制作神经微探针结构 的常用方法。对照图l，图2和图18，硅片清洗完毕后，通过双面热氧化生成Si02 ， 作为金属导线的下隔离层3。溅射金属Au，生成金属导线层2，进行第一次 光刻，刻蚀Au形成二维电极中的金属导线的形状。对硅片表面进行等离子 增强化学气相淀积(PECVD),生成Si02作为金属导线的上隔离层1，进行 第二次光刻，刻蚀Si02形成金属PAD4的形状。溅射金属A1，作为器件与 边框间的桂梁层，进行第三次光刻，刻蚀A1形成所有器件的外轮廓并露出金 属PAD4。对照图3和图19,在进行第二次光刻的过程中，将探针臂上露出的金属 PAD4作为探针臂上的测点。其加工方式也是刻蚀上隔离层1，露出金导线。本加工过程是通过一张张的光刻版图将外形信息转化到硅片上的。为此，我们使用了 WINDOWS 2000操作系统下的L-edit软件作为版图绘图工具。图 12-图14为实施例1的各部分版图；图15-图17为实施例2的各部分版图。 版图中用三种不同的颜色区分三次光刻所得到的图形。当电极，基板，梳状隔板 加工完毕后，将前置放大器固定在基板上一起组装成三维有源神经硅微电极 阵列。探针臂长度及测点位置大脑皮层位于大脑髓质与脑膜之间，人类大脑皮层的平均厚度约为 2. 5mm，中央前回的皮层最厚，约4. 5mm，枕极的皮层最薄，约1. 5mm。大脑 皮层具有层状结构，每层的厚度与细胞结构各不相同。在设计硅微电极探针 臂的长度时，不但要考虑大脑皮层的结构，而且要考虑探针臂需要穿越的脑 膜的厚度。探针穿入大脑皮层后，使各测点能准确位于大脑皮层的待测位置。 设计硅微电极测点之间的间距时，需要考虑将神经元放电活动区分开来。电 极测点间距离过大，每个微电极就像一个独立的电极一样，难以鉴别一个动 作信号在神经元之间传导的相关性；如果电极测点间距离过小，则单个神经元可能被多个电极同时记录。为避免这种情况的发生，需要根据测量的具体 情况，考虑神经细胞的大小(直径5-100陶)，设计测点间距。 一般在20-300帅 范围。综合以上分析，考虑到脑膜的厚度及皮层的层状结构，将探针上测点的 位置分别确定为距离探针根部1600卿、1S00卿、2000陶、"OOMm四处。探针 臂的设计长度定为2. 5mm。硅微电极的探针臂上集成了多根互连线，它们平行排列。探针臂宽度的 减小要求互连线的宽度和间距不断縮小，结果每根互连线本身的对地电容变 小，而电极间的耦合电容则会因为间距的减小而增大。当互连线间距减小到 一定程度后，电极间的串扰噪声就变得不可忽略，甚至会将神经元电信号完全淹没。因此，在设计探针的宽度时，互连线的特征尺寸和间距成为了决定 因素。同时考虑现有加工工艺，互连线间距的安全距离这里设计为io卿或15Mm,相应的探针臂的宽度设计为IOO陶。综合以上讨论，集成四个电极的探针臂的设计长度L=2. 5mm,宽度定为 W=100M(ii,厚度定为h=400Mm。探针臂上互连线的间距为lORn或15Wn,各测 点位置与探针根部的距离分别为1600陶、1800Mm、 2000Mm、 2200Mm。实施例1对照图4-图7，此设计由三部分组成二维神经微电极(2个)，基板 (l个)，梳状隔板(2个)。两个二维神经微电极通过梳状隔板固定在"工" 字型基板的两侧。所述二维电极上部分带两个等宽度的矩形凹进，下部分是 等距排列的四根探针；所述基板呈"工"字形；二维电极是从基板侧面嵌入 基板的凹槽。梳状间隔相等，梳状间隔在深度和厚度上与二维电极凹进部位 的深度和厚度保持一致，使二者能充分咬合固定。所述二维电极的探针的探 针臂上同时集成了四个电极测点，将探针垂直插入大脑皮层后，各测点分别位于皮层的不同深度；集成在探针臂上的四根互连线将各测点采集的神经信 号传输给外部的处理电路，或者将外部刺激信号传输给神经组织。实施例2对照图8-图12,此设计由三部分组成二维神经微电极(2个)，基板 (l个)，梳状隔板(l个)。此二维神经微电极的"T"字型突出部分穿过基 板上刻蚀穿的孔，再由梳状隔板从基板背后固定住。所述二维电极的形状上 部分呈负九十度放置的"T"型，"T"字型突出部分带一个矩形凹进，二维 电极的下部是等距排列的四根探针；所述基板上刻蚀床两个矩形开孔，此矩 形开孔的尺寸与其配套的二维电极的"T"字形突出部分的尺寸保持一致；二 维电极是其"T"字型突出部分垂直穿过基板上刻蚀穿的矩形孔。梳状间隔相等，梳状间隔在深度和厚度上与二维电极凹进部位的深度和厚度保持一致，使二者能充分咬合固定。所述二维电极的探针的探针臂上同时集成了四个电极测点，将探针垂直插入大脑皮层后，各测点分别位于皮层的不同深度；集成在探针臂上的四根互连线将各测点釆集的神经信号传输给外部的处理电 路，或者将外部刺激信号传输给神经组织。
权利要求
1、一种三维有源组装神经硅微电极阵列，包括两个二维神经硅微电极，基板和梳状隔板；其中，二维电极与基板通过插接方式连接；梳状隔板与两个电极也通过插接方式连接，起到固定电极的作用。
2、 根据权利要求l所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征 在于，还包括安装在基板上的前置放大器，用于将生物电信号放大。
3、 根据权利要求1或2所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列， 其特征在于，所述二维电极上部分带两个等宽度的矩形凹进，下部分是等距 排列的四根探针；所述基板呈"工"字形；二维电极是从基板侧面嵌入基板 的凹槽。
4、 根据权利要求3所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征 在于,梳状间隔相等,梳状间隔在深度和厚度上与二维电极凹进部位的深度和 厚度保持一致，使两者能充分咬合固定。
5、 根据权利要求3所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征 在于，所述二维电极的探针的探针臂上同时集成了四个电极测点，将探针垂 直插入大脑皮层后，各测点分别位于皮层的不同深度；集成在探针臂上的四 根互连线将各测点釆集的神经信号传输给外部的处理电路，或者将外部刺激 信号传输给神经细胞。
6、 根据权利要求1或2所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其 三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征在于，所述二维电极的形状上部分 呈负九十度放置的"T，，型，"T"字型突出部分带一个矩形凹进，二维电极 的下部分是等距排列的四根探针；所述基板上刻蚀穿两个矩形开孔，此矩形 开孔的尺寸与其配套的二维电极的"T"字型突出部分的尺寸保持一致；二维 电极的"T"字型突出部分垂直穿过基板上刻蚀穿的矩形孔。
7、 根据权利要求6所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征 在于，梳状间隔相等，梳状间隔在深度和厚度上与二维点进凹进部位的深度 和厚度保持一致，使二者能充分咬合固定。8、根据权利要求6所述的一种三维有源组装神经硅微电极阵列，其特征 在于，所述二维电极的探针的探针臂上同时集成了四个电极测点，将探针垂直插入大脑皮层后，各测点分别位于皮层的不同深度；集成在探针臂上的四 根互连线将各测点釆集的神经信号传输给外部的处理电路，或者将外部刺激 信号传输给神经细胞。
全文摘要
本发明涉及一种三维有源组装神经硅微电极阵列，属于测量人体脑部的生物电信号技术领域。一种三维有源组装神经硅微电极阵列，包括两个二维神经硅微电极，基板和梳状隔板；其中，二维电极与基板通过插接方式连接；梳状隔板与两个二维电极也通过插接方式连接，起到固定电极的作用。三维电极阵列相对于二维电极的优点在于(1)三维有源电极阵列可以多角度获得相对更加准确的神经信号；且此种结构便于加工组装，经济成本低廉。(2)避免在基板上刻穿小尺寸孔，从而降低加工难度，保证产品的成品率。(3)当电极探针和基板组装时，探针部分无需穿过基板上的孔。这样就避免了探针受损。
文档编号A61B5/0476GK101248992SQ200710061398
公开日2008年8月27日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年10月10日
发明者斐 孙, 李洪宇, 李醒飞, 盼 王, 莹 钟, 雪 韩 申请人:天津大学