一种超高深宽比的硅神经电极及其制备方法

1.本发明涉及一种基于硅片基底的植入式神经电极阵列，具体涉及一种超高深宽比的硅神经电极及其制备方法。


背景技术：

2.大规模神经元信号体内记录已成为了解大脑中神经网络如何工作的关键方法。微制造多电极阵列广泛用于细胞外神经活动的高通量记录。密集的记录位点和高通道数的可以用于记录单个单元和局部场电位信号。由于植入式神经探针必须插入大脑内部，因此该类神经探针的开发应该具有实际应用所需的技术特性，包括高时空分辨率、高信噪比、生物相容性和小型化等特点。目前针对上述特性的可植入多阵列神经探针已被开发并有部分电极应用于研究、诊断和治疗目的。
3.在检索相关研究技术时发现，目前已有许多硅神经电极制备的方法。l. yang, k. lee, j. villagracia and s. c. masmanidis在journal of neural engineering 2020 撰文
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open source silicon microprobes for high throughput neural recording
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（用于高通量神经记录的开源硅微探针），该文章详细介绍了硅神经电极的制备流程和具体实施步骤。并且该文献提供与微探针开发相关的详细信息，包括光刻掩模、印刷电路板 (pcb) 设计文件、头部固定部件的示意图和示教视频。
4.但是上述文献虽然总结了电极的制备和pcb的设计文件，但是并没有介绍高深宽比电极的设计方案，也没有关于电极点的排布、探针长度和宽度等详细设计。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种超高深宽比的硅神经电极及其制备方法；本发明电极探针具有不同长度，不同宽度，覆盖脑区深、广，使电极阵列更好的植入体内采集数据，并实现超高深宽比，超高密度、超大范围的跨尺度神经信号采集。
6.本发明是通过以下技术方案实现的。
7.本发明提供一种超高深宽比的硅神经电极，其有有特定的深宽比、电极点排列、电极大小、尖角和导线连接弧度。
8.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为探针长度在3-36毫米。
9.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为探针宽度0.3-0.4毫米。
10.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为每个电极的探针数目2-10根。
11.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为探针间连接弧度范围为30度-168度。
12.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为探针间距
为0.6-0.8毫米。
13.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为每个探针电极点数目4-16个。
14.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为电极点半径范围在0.005-0.05mm。
15.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件电极点距离0.1-0.4mm。
16.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为电极外扩半径为0.01-0.03mm。
17.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为电极前端尖角长度1mm。
18.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为电极前端尖角22.6度。
19.所述的硅神经电极获得超高深宽比，超高密度、超大范围的设计条件为电极厚度范围为50-550微米。
20.本发明进一步提供上述硅神经电极的制备方法，具体步骤如下：首先在硅片上磁控溅射金属合金，然后光刻图案保护电极，离子铣刻蚀金属，沉积氮化硅，套刻露出电极点，刻蚀氮化硅露出电极点，溅射氧化钌修饰电极点，激光切割电极，完成超高深宽比的硅神经探针的制备。
21.通过特定的探针间连接弧度，特定的厚度，宽度以及长度等参数的优化，结合无接触低应力的探针制备方法，实现超高深宽比的设计与制备。这些参数与加工方式对于超高深宽比的硅神经电极不发生断裂的问题十分重要。
22.综上，本发明设计硅电极具有特定的深宽比、电极点排列、电极大小、尖角和导线连接弧度。所制备的植入式硅电极具有不同长度，不同宽度，覆盖脑区深、广等特性。能够实现超高深宽比，超高密度、超大范围的跨尺度神经信号采集。
附图说明
23.图1 超高深宽比的硅神经电极设计图。
[0024] 图2 超高深宽比的硅神经电极的制备流程图。
具体实施方式
[0025]
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例基于硅基底的电极阵列，以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0026]
实施例1所述电极阵列的准备：使用软件设计掩模版并由工厂加工。设计电极和布局、轴间距、轴长和尖端角度。每个微探针需要一组四个掩模：1.光刻；2.刻蚀氮化硅绝缘层暴露电极记录位点和引线键合接触垫；3.对电极、引线键合接触垫和互连线进行图案化；第三阶段将电极无重叠地排列
在10*10空间中，为了增加器件的数量减少冗余，器件的排列方式是尽可能减少掩模版中未使用的空间。
[0027]
电极制备步骤，首先在硅片上磁控溅射金属合金，然后光刻图案保护电极，离子铣刻蚀金属，沉积氮化硅，套刻露出电极点，刻蚀氮化硅露出电极点，溅射氧化钌修饰电极点，激光切割电极。
[0028]
实施例2如图1所示，其为超高深宽比硅神经电极设计图，探针包含两种大小的电极点，可以记录记录单个单元和局部场电位信号。
[0029]
探针长度在3-36毫米，最长的探针为36毫米，跨越多个脑区。
[0030]
探针间连接弧度范围为50度-145度，可以更好地贴合大脑表面，受到应力时不容易断裂。
[0031]
探针宽度为0.3毫米。
[0032]
电极的探针数目8-10根。
[0033]
探针间连接弧度范围为50度-145度。
[0034]
探针间距为0.6-0.8毫米。
[0035]
每个探针电极点数目4-16个。
[0036]
电极点半径范围在0.015-0.04mm。
[0037]
电极点距离0.1-0.3mm。
[0038]
电极外扩半径为0.01-0.03mm。
[0039]
电极前端尖角长度1mm。
[0040]
电极前端尖角22.6度。
[0041]
硅片的厚度为200微米。
[0042]
如图2所示，图为电极制备流程图：首先在500微米厚的硅片上磁控溅射钛和金铂合金；然后光刻图案保护电极；使用离子铣刻蚀电极周围的多余金属；然后沉积氮化硅作为绝缘层；再进行套刻露出需要修饰的电极点；使用rie刻蚀氮化硅露出电极点；使用磁控溅射氧化钌修饰电极点；最后将工业制备的电极使用激光切割得到单独的电极。
[0043]
从以上实施例可以看出，本发明利用特定的探针间连接弧度，特定的厚度，宽度以及长度等参数的优化，结合无接触低应力的探针制备方法，实现超高深宽比的设计与制备。这些参数与加工方式对于超高深宽比的硅神经电极不发生断裂的问题十分重要。可以使超高深宽比电极阵列更好的植入体内采集数据。
[0044]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。