网格状mems神经微探针及其制备方法
【专利摘要】一种网格状MEMS神经微探针及其制备方法，包括基座、针头和针杆；针头通过针杆连接到基座上形成微探针；针头、针杆和基座内部均有硅层和绝缘层；硅层设置在绝缘层的下方；针头的表面上设置有若干个探测电极；基座表面上设置有若干个凹槽；微探针内部还包括若干条引出线，引出线贯穿于微探针内部；一条引出线的一端连接一个探测电极，该条引出线的另一端与一个凹槽形成一个外接引出焊盘；引出线在针头、针杆和基座内的绝缘层中；针杆上设置有若干个呈网络状分布的通孔；本发明具有结构强度高、生物兼容性好、探测信号密度大、可靠性高的特点。
【专利说明】网格状MEMS神经微探针及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种网格状MEMS神经微探针及其制备方法，属于微电子机械系统和微弱信号测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]MEMS神经微探针是一种神经信号探测和刺激的核心医疗器具，在脑-机接口技术、神经假肢技术、神经疾病的诊断和治疗、神经康复等诸多神经工程系统中有着广泛的应用。美国、欧洲、日本和韩国的诸多研究机构对该研究方向高度重视，取得很多顶尖的科研和应用成果。
[0003]虽然MEMS神经微探针取得了诸多成果，但是在结构强度，结构的生物兼容性、信号密度和可靠性等方面仍然存在很多问题。在结构强度方面:MEMS神经微探针应用时需要植入神经细胞，因此整个探针结构需要有足够的机械强度，以保证能顺利植入，然而一般情况下，足够的机械强度意味着更大的结构，植入时将导致更大的创口，生物兼容性更差；在生物兼容性方面:为了延长MEMS神经微探针记录神经信号的寿命，需要MEMS神经微探针具有较好的生物兼容性。生物兼容性主要由探针材料和植入创口大小决定，除了探针材料以夕卜，植入创口越小，生物兼容性越好，植入材料与神经细胞接触面积越小，生物兼容性越好；在信号密度方面:为了获取更多的神经信号，需要集成更多的微探针，每根微探针集成更多的探测点，然而信号探测点越多则体积越大，信号线间相互干扰越大。
【发明内容】
[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种网络状MEMS神经微探针及其制备方法，提高了生物兼容性、结构强度和探测信号密度。
[0005]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种网格状MEMS神经微探针，包括基座、针头和针杆；所述针头通过针杆连接到基座上形成微探针；所述针头、针杆和基座内部均有硅层和绝缘层；所述硅层设置在绝缘层的下方；所述针头的表面上方设置有若干个探测电极；所述基座表面上设置有若干个凹槽；微探针内部还包括若干条引出线，所述引出线贯穿于微探针内部；一条引出线的一端连接一个探测电极，该条引出线的另一端与一个凹槽形成一个外接引出焊盘；所述引出线在针头、针杆和基座内的绝缘层中；所述针杆上设置有若干个呈网格状分布的通孔。
[0007]进一步的,针头、针杆和基座采用娃材料制成。
[0008]进一步的，绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层。
[0009]进一步的，基座、针头和针杆的表面覆有一层生物可降解涂层。
[0010]进一步的，所述通孔均为矩形。
[0011]进一步的，所述探测电极为铱电极。
[0012]进一步的，所述引出线采用多晶硅制成。
[0013]8、一种网格状MEMS神经微探针的制备方法为:
[0014]I)首先，利用浓硼扩散技术在硅晶片上定义微探针图形，并在图形边界形成硼掺杂刻蚀停止带；该探针图形包括基座、针头和针杆；所述针头通过针杆连接到基座上形成微探针；
[0015]2)在硅晶片的上方利用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层，得到下绝缘层；
[0016]3)多晶硅被沉积在下绝缘层上方形成引出线；
[0017]4)在引出线上方用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层形成上绝缘层；
[0018]5)利用干法刻蚀针头和基座上的上绝缘层，使得在针头上和基座上的上绝缘层得到若干个凹槽，并分别使得处于针头和基座上的上绝缘层的引出线一端显露于凹槽表面；基座上的凹槽与显露于基座凹槽上的引出线一端作为外接引出焊盘；
[0019]6)金属溅射在所述针头上引出线的一端上，使得金属与引出线相连接，形成探测电极；
[0020]7)蚀刻去除微探针图形外多余的绝缘层，同时刻蚀针杆上绝缘层形成矩形窗口 ；
[0021]8)利用ICP刻蚀微探针所述矩形窗口形成通孔；
[0022]9)最终利用EDP湿法刻蚀多余未掺杂的硅层，释放微探针。
[0023]有益效果:
[0024](I)采用创新性的网格状结构，在探针体上设置一些网格状通孔，减少微探针与神经细胞的接触面积，减少生物排异反应；同时网格状结构不会导致强度明显下降，维持足够的强度；减小植入时探针体与神经细胞接触面积，增加生物兼容性。
[0025](2)可以在一个探针体针头上集成的八个或者八个以上的信号探测电极，提高了探测信号密度。
[0026](3)将引出线包裹在绝缘层内，既可以实现引出线与微探针的绝缘，同时可以实现引出线与细胞液隔离，与神经元的接口部分中，仅有铱电极与细胞液直接接触，提高了微电极的可靠性。
[0027](4)采用生物可降解涂层技术，微探针的体积可以进一步缩小，提高生物兼容性，且涂覆技术可以维持植入时刚度，便于优化最终结构。
[0028](5)开孔采用矩形，其加工制作容易。
[0029](6)所述绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层，可以有效补偿微探针的热应力，减小微探针加工中的弯曲变形。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明网格状MEMS神经微探针示意图；
[0031]图2是本发明网格状MEMS神经微探针剖面示意图；
[0032]图3是本发明网格状MEMS神经微探针加工流程示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0034]结合图1和图2，本发明网格状MEMS神经微探针，用于神经信号探测和刺激。
[0035]一种网格状MEMS神经微探针，包括基座1、针头7和针杆8 ;针头7通过针杆8连接到基座I上形成微探针；针头7、针杆8和基座I内部均有硅层9和绝缘层2 ;硅层9设置在绝缘层2的下方；针头7的表面上方设置有若干个探测电极4 ;基座I表面上设置有若干个凹槽；微探针内部还包括若干条引出线6，引出线6贯穿于微探针内部；一条引出线6的一端连接一个探测电极4，该条引出线6的另一端与一个凹槽作为一个外接引出焊盘3;弓丨出线6在针头7、针杆8和基座I内的绝缘层2中；所述针杆8上设置有若干个呈网格状分布的通孔5。
[0036]结合图3，本发明网格状MEMS神经微探针的制备方法，包括如下步骤:
[0037]I)浓硼扩散定义探针杆尺寸；2)下隔离层沉积；3)沉积并且制作内部连接线；4)沉积上绝缘层；5)刻蚀打开连接面；6)溅射金层形成记录电极；7)刻蚀去除微探针体外的绝缘层，同时刻蚀探针杆上绝缘层形成矩形窗口 ；8)利用ICP刻蚀微探针针杆矩形窗口形成网状通孔；9)利用EDP湿法刻蚀多余未掺杂的硅层，释放微探针。
[0038]首先，利用浓硼扩散技术在N型硅晶片上定义微探针图形，并在图形边界形成硼掺杂刻蚀停止带，是用于能够最后在湿法蚀刻里释放结构，该探针图形包括基座、针头和针杆；所述针头通过针杆连接到基座上形成微探针。然后，在硅晶片上方用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层，得到下绝缘层。进一步的，多晶硅被沉积在下绝缘层上形成引出线。进一步的，在引出线上方用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层形成上绝缘层。绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层，可以有效补偿微探针的热应力，减小微探针加工中的弯曲变形。进一步的，利用干法刻蚀针头和基座上的上绝缘层，使得在针头和基座上的上绝缘层上分别得到若干个凹槽，并且分别使得针头和基座上的引出线一端显露于凹槽表面，基座上的凹槽与显露的基座上凹槽的引出线一端作为外接引出焊盘。进一步的，金属铱溅射在所述引出线的一端上使得金属铱与引出线相连接，形成探测铱电极。进一步的，蚀刻去除微探针图形外多余的绝缘层，同时刻蚀探针杆上绝缘层形成矩形窗口。进一步的，利用ICP刻蚀微探针所述矩形窗口形成通孔。最终利用EDP湿法刻蚀多余未掺杂的硅层，释放微探针。
[0039]当基本结构被释放之后，根据设计要求，如果采用生物可降解涂层技术，接下来首先采用类似的微加工技术加工一个微型凹槽模具，接着选着合适的生物可降解材料，例如PLGA，糖，丝素蛋白等，然后将微探针体与可降解材料定型，最后采用剥离技术或刻蚀技术就可得到带有生物可降解涂层的MEMS神经微探针。该工艺过程既可以保证该微型探针在植入时有足够的机械强度，同时植入后由于生物涂层的降解，可以实现植入体的体积最小化、密度最大化，显著降低细胞的慢性排异反应。
[0040]具体实施方法如下:
[0041]网格状MEMS神经微探针的外接引出焊盘中的引出线通过柔性连接线与外部接口电路连接，然后通过专用的夹具将MEMS神经微探针体植入到神经元中，铱电极将与神经元直接接触，通过外接引出焊盘上的引出线将信号引入接口电路放大，就可以获得神经元活动的信号，同时接口电路的神经刺激信号也可以通过外接引出焊盘上的引出线施加在铱电极上，通过与神经元的接触，直接刺激神经元的活动。由于神经探针体与接口电路间采用柔性连接线进行连接，因此可以减少神经元或者神经细胞的蠕动导致的探针脱落或植入创口损伤扩大等后果，可以有效减小细胞的排异反应，提高生物兼容性。
[0042]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:包括基座(I)、针头(7)和针杆(8);所述针头(7)通过针杆(8)连接到基座(I)上形成微探针；所述针头(7)、针杆(8)和基座(I)内部均有硅层(9)和绝缘层(2);所述硅层(9)设置在绝缘层(2)的下方；所述针头(7)的表面上方设置有若干个探测电极(4);所述基座(I)表面上设置有若干个凹槽；微探针内部还包括若干条引出线(6)，所述引出线(6)贯穿于微探针内部；一条引出线(6)的一端连接一个探测电极(4)，该条引出线(6)的另一端与一个凹槽作为一个外接引出焊盘(3);所述引出线(6)在针头(7)、针杆(8)和基座(I)内的绝缘层(2)中；所述针杆(8)上设置有若干个呈网格状分布的通孔(5)。
2.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:针头(7)、针杆(8)和基座(I)采用硅材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:所述绝缘层(2)为二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层。
4.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:所述基座(I)、针头(7)和针杆(8)的表面覆有一层生物可降解涂层。
5.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:所述通孔(5)均为矩形。
6.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:所述探测电极(4)为铱电极。
7.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针，其特征在于:所述引出线(6)采用多晶硅制成。
8.根据权利要求1所述的一种网格状MEMS神经微探针的制备方法为: 1)首先，利用浓硼扩散技术在硅晶片上定义微探针图形，并在图形边界形成硼掺杂刻蚀停止带；该探针图形包括基座、针头和针杆；所述针头通过针杆连接到基座上形成微探针； 2)在硅晶片的上方利用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层，得到下绝缘层； 3)多晶硅被沉积在下绝缘层上方形成引出线； 4)在引出线上方用低压化学气相沉积由二氧化硅层、氮化硅层和二氧化硅层由上而下叠加组成的复合材料层形成上绝缘层； 5)利用干法刻蚀针头和基座上的上绝缘层，使得在针头上和基座上的上绝缘层得到若干个凹槽，并分别使得处于针头和基座上的上绝缘层的引出线一端显露于凹槽表面；基座上的凹槽与显露于基座凹槽上的引出线一端作为外接引出焊盘； 6)金属溅射在所述针头上引出线的一端上，使得金属与引出线相连接，形成探测电极； 7)蚀刻去除微探针图形外多余的绝缘层，同时刻蚀针杆上绝缘层形成矩形窗口； 8)利用ICP刻蚀微探针所述矩形窗口形成通孔； 9)最终利用EDP湿法刻蚀多余未掺杂的硅层，释放微探针。
【文档编号】A61N1/05GK104257352SQ201410523275
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】杨波, 王行军, 殷勇 申请人:东南大学