面向多类型神经信号采集的电极阵列结构及其制备方法

1.本发明涉及植入脑机接口神经微电极器件技术领域，具体地，涉及一种面向多类型神经信号采集的电极阵列结构及其制备方法。


背景技术：

2.生物电信号是人类生命活动的基石。人体作为一个有机体是一个非常复杂的系统，而生物电就和人体的任何生命活动都密切相关。未经刺激的神经细胞电位被叫做“静息电位”，相反，神经细胞受刺激时产生的电位被叫做“动作电位”。这种电位差是由于细胞膜外侧的正电荷和细胞膜内侧的负电荷所形成的。
3.由于大脑神经电信号的采集与分析对病情判断的相对准确性和预先性，其在脑疾病的诊疗方面有重大的应用的前景。当前神经电信号采集使用的是常规点电极阵列为主，结合聚类分析算法实现特征提取，所有形态的电极都存在对信号空间上的选择性，即信号源远离电极点所在的位置时，由于信号传输过程的能量耗散，电极点能采集到的信号就会随信号源的不断远离而降低。这种对远距离信号源的信号响应抑制和近距离信号源的信号响应增强就是电极的空间选择性。为了减少周围无关脑电产生信号的干扰，通过减少电极半径，从而增加脑电极的阻抗频谱，以此调控近端远端信号的响应幅值，远端的信号响应就会因为响应幅值低于采集器噪声从而淹没在噪声里，就能起到滤除远距离信号源所产生信号的干扰。这种提高电极电化学阻抗频谱是一种提高电极空间选择性的方法。但这种方法在提高空间选择性的同时降低了近端神经信号的响应幅值，影响到了高信噪比神经信号的采集与分析。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向多类型神经信号采集的电极阵列结构及其制备方法。
5.根据本发明的一个方面，提供一种面向多类型神经信号采集的电极阵列结构，该电极阵列结构包括导电层、位于所述导电层上方的第一绝缘层和位于所述导电层下方的第二绝缘层；其中，所述导电层包括拉普拉斯电极和单点电极，所述拉普拉斯电极为具有同心圆环结构的电极，通过所述拉普拉斯电极和所述单点电极共同实现在体不同类型神经元信号的采集。
6.进一步地，所述拉普拉斯电极包括拉普拉斯外环电极、拉普拉斯内环电极和拉普拉斯电极导线，所述拉普拉斯外环电极与所述拉普拉斯内环电极同心设置，所述拉普拉斯电极导线用于分别引出所述拉普拉斯外环电极和所述拉普拉斯内环电极；所述拉普拉斯电极包括双环同心电极结构、三环同心电极结构至多环同心电极结构中的任意一种或几种。
7.进一步地，所述单点电极包括电极部和单点电极导线，所述单点电极导线用于引出所述电极部；所述单点电极通过调节所述电极部的直径大小实现对阻抗值的调控，从而实现对不同距离范围内所有神经元放电进行采集。
8.进一步地，所述电极部的直径为10-500μm。
9.进一步地，所述导电层的厚度为100-1000nm。
10.进一步地，所述拉普拉斯电极和所述单点电极的数量分别根据获取信号的需求设定。
11.进一步地，所述拉普拉斯电极和所述单点电极在不同深度的排布疏密程度根据体内不同脑区神经元数量不同的特点设定。
12.进一步地，所述第一绝缘层上开设有用于暴露出电极点结构的电极点开窗暴露区域。
13.进一步地，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的厚度为100-2000nm。
14.根据本发明的另一方面，提供一种上述的面向多类型神经信号采集的电极阵列结构的制备方法，该方法包括：
15.提供一衬底，在所述衬底上沉积一层金属形成牺牲层；
16.在所述牺牲层上旋涂并图形化得到第二绝缘层；
17.在所述第二绝缘层上溅射或蒸发一层粘附层和一层导电层，旋涂正性光刻胶作为掩膜，经过前烘、曝光、显影和后烘，采用干法刻蚀或湿法刻蚀，得到含拉普拉斯电极和单点电极的导电层图形；
18.在图形化的导电层上再旋涂并图形化第一绝缘层，所述第一绝缘层的开孔图形暴露出所述拉普拉斯电极和所述单点电极；
19.腐蚀或溶解所述牺牲层后，完成电极阵列的释放，得到面向多类型神经信号采集的电极阵列结构。
20.与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
21.本发明的电极阵列结构包括用于高分辨单神经元动作电位信号采集的拉普拉斯电极结构和用于局部场电位信号采集的单点电极，利用拉普拉斯同心圆环结构解决当前神经信号采集信噪比低，且不同神经元放电互相串扰的不足，提高电极点的空间选择性，实现单神经元信号放电采集；利用单点电极结构实现对不同距离范围内所有神经元放电进行采集；通过两种采集电极结构复合的电极阵列进行在体神经元信号的采集能够实现多类型神经信号的同步获取，从而能够根据应用需要选择所需的神经信号，极大促进脑科学和脑疾病研究的进展。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
23.图1为本发明一实施例中的电极阵列结构的分层示意图；
24.图2为本发明一实施例中的电极阵列的制备方法的流程示意图；
25.图3为本发明一实施例中双环拉普拉斯电极进行信号采集实现单神经元信号获取的示意图；
26.图4为本发明一实施例中单点电极进行信号采集实现局部场电位信号获取的示意图；
27.图5为本发明一实施例中的电极阵列不同类型电极数量和疏密排布示意图。
28.图中：1为第二绝缘层，2为单点电极，21为单点电极导线，22为电极部，3为拉普拉斯电极，31为拉普拉斯外环电极，32为拉普拉斯内环电极，33为拉普拉斯电极导线，4为第一绝缘层，5为电极点开窗暴露区域。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
30.为了解决上述信号采集电极存在的局限性，芝加哥大学的bin he等人提出了利用表面拉普拉斯估计原理来提高电极的空间选择性，该估计原理的核心是拉普拉斯算子：
[0031][0032]
通过计算将采集到的信号通过拉普拉斯算子进行加权相加处理，所得的拉普拉斯电势与电偶极子到观测点的距离的四次方成反比,即拉普拉斯电势响应功率以距离的四次方减小，相比于电势响应功率以距离的一次方减小，拉普拉斯电势的响应功率对距离敏感许多，对于信号源距离观测点较远的信号有很强的抑制作用，同时对信号源距离较近的信号的抑制作用很小甚至没有影响。所以将采集电势换为采集拉普拉斯电势能显著提高电极的空间选择性从而提高采集信号的质量。但是目前拉普拉斯算子结合双环或多环拉普拉斯电极结构尚未被应用于植入脑电信号采集中。
[0033]
综上所述，双环或者多环拉普拉斯电极结构结合拉普拉斯算子的运算，能够显著提升神经信号采集的空间分辨率，进一步实现单神经元信号的采集。进一步匹配单点电极结构组合成多类型神经信号采集的电极阵列将极大促进神经电生理记录领域方面的进步。
[0034]
为此，本发明实施例提供一种面向多类型神经信号采集的电极阵列结构，参照图1，该电极阵列结构为三明治结构，包括导电层、位于导电层上方的第一绝缘层4和位于导电层下方的第二绝缘层1；其中，导电层包括拉普拉斯电极3和单点电极2，拉普拉斯电极3为具有同心圆环结构的电极，通过单点电极2可以采集局部场电位信号，局部场电位信号是很多神经元放电信号的叠加，通过拉普拉斯电极3可以采集神经元动作电位信号，通过拉普拉斯电极3和单点电极2共同实现在体不同类型神经元信号的采集。本发明实施例的电极阵列结构包括用于高分辨单神经元动作电位信号采集的拉普拉斯电极3和用于局部场电位信号采集的单点电极2，利用拉普拉斯同心圆环结构解决当前神经信号采集信噪比低，且不同神经元放电互相串扰的不足，提高电极点的空间选择性，实现单神经元信号放电采集；利用单点电极结构实现对不同距离范围内所有神经元放电进行采集；通过两种采集电极结构复合的电极阵列进行在体神经元信号的采集能够实现多类型神经信号的同步获取，从而能够根据应用需要选择所需的神经信号，极大促进脑科学和脑疾病研究的进展。
[0035]
在一些实施方式中，拉普拉斯电极3包括拉普拉斯外环电极31、拉普拉斯内环电极32和拉普拉斯电极导线33，拉普拉斯外环电极31与拉普拉斯内环电极32同心设置，拉普拉斯电极导线33用于分别引出拉普拉斯外环电极31和拉普拉斯内环电极32；拉普拉斯电极3包括双环同心电极结构、三环同心电极结构至多环同心电极结构中的任意一种或几种，不
同环数对应不同的拉普拉斯算法进行分析，环数越多，精度会越高，所占用的面积也越大，利用拉普拉斯电极3进行差分信号采集并将不同环上的信号通过拉普拉斯算子进行加权相位处理(加权电势分析)，提高电极点的空间选择性，实现单神经元信号放电采集。
[0036]
在一些实施方式中，单点电极2包括电极部22和单点电极导线21，单点电极导线21用于引出电极部22；单点电极2通过调节电极部22的直径大小实现对阻抗值的调控，从而实现对不同距离范围内所有神经元放电进行采集。单点电极2的电极部22的直径越大，电化学阻抗越小，能够采集更大范围内的局部场电位信号，优选地，电极部22的直径为10-500μm，通过阻抗的调节，从而调控体内区域的大小。
[0037]
在一些实施方式中，导线层由导电层材料组成，导电层的成型方式包括但不限于多靶磁控溅射、电化学电镀、电子束蒸发、离子束溅射等金属薄膜生长方式，导电层材料包括但不限于金、铂、银等，综合考虑植入电极的整体厚度和导电效果，优选地，导电层的厚度为100-1000nm。
[0038]
在一些实施方式中，拉普拉斯电极3和单点电极2的数量分别根据获取信号的需求设定。拉普拉斯电极3和单点电极2在不同深度的排布疏密程度根据体内不同脑区神经元数量不同的特点设定。具体地，大脑皮层根据功能和神经细胞种类可以分为6层结构，其中第二层(500μm左右深度)和第四层(1500μm左右深度)神经细胞数量比较多，第三层和第五层其次，第一层和第六层则数量最小。因此，为了将植入式神经电极采集效率最大化，在第二层和第四层深度拉普拉斯电极和单电极的数量最多，在第三层和第五层深度拉普拉斯电极和单电极的数量其次，在第一层和第六层则电极数量最少。
[0039]
利用两种采集电极结构复合的植入脑机接口电极阵列进行在体神经元信号的采集能够实现多类型神经信号的同步获取，从而能够根据应用需要选择所需的神经信号，极大促进脑科学和脑疾病研究的进展。
[0040]
在一些实施方式中，第一绝缘层4上开设有用于暴露出包括拉普拉斯电极3和单点电极2的电极点结构的电极点开窗暴露区域5。绝缘层的成型方式包括但不限于热氧化生长、多靶磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积等薄膜生长工艺。绝缘层材料包括但不限于聚酰亚胺、su-8、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅/氮化硅复合薄膜等。绝缘层越厚，绝缘效果和绝缘层稳定性越好，但是绝缘层太厚会增加植入电极的尺寸，造成更大的植入损伤，优选地，第一绝缘层4和第二绝缘层1的厚度为100-2000nm。
[0041]
本发明实施例还提供一种上述的面向多类型神经信号采集的电极阵列结构的制备方法，该方法包括：
[0042]
s1、提供一衬底，在衬底上沉积一层金属形成牺牲层；
[0043]
s2、在牺牲层上旋涂并图形化得到第二绝缘层1；
[0044]
s3、在第二绝缘层1上溅射或蒸发一层粘附层和一层导电层，旋涂正性光刻胶作为掩膜，经过前烘、曝光、显影和后烘，采用干法刻蚀或湿法刻蚀，得到含拉普拉斯电极3和单点电极2的导电层图形；
[0045]
s4、在图形化的导电层上再旋涂并图形化第一绝缘层4，第一绝缘层4的开孔图形即电极点开窗暴露区域5暴露出拉普拉斯电极3和单点电极2；
[0046]
s5、使用腐蚀或溶解牺牲层的试剂，腐蚀或溶解牺牲层后，完成电极阵列的释放，
得到面向多类型神经信号采集的电极阵列结构。
[0047]
以一具体实施例对本发明实施例中的面向多类型神经信号采集的电极阵列结构及其制备方法进行更加详细地说明。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供一种面向多类型神经信号采集的电极阵列结构，具体为柔性聚酰亚胺基面向多类型神经信号采集的电极阵列，参照图2，其制备方法包括：
[0050]
s1、使用普通硅片作为电极的衬底材料，将硅片分别放入丙酮，乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；
[0051]
在清洗完的硅片上蒸发一层300nm厚的铝作为牺牲层金属，如图2(1)所示；
[0052]
s2、在牺牲层金属上旋涂光敏型聚酰亚胺durimide 7505，经过曝光、显影、固化后得到2μm厚的电极下层绝缘层即第二绝缘层，如图2(2)所示，；
[0053]
s3、在底层聚酰亚胺上方溅射30nm钛和300nm金，如图2(3)所示；
[0054]
s4、在金属层上旋涂5μm厚正性光刻胶，经过前烘、光刻、显影和后烘，得到图形化的光刻胶掩膜，接着使用离子束刻蚀或者湿法刻蚀将金属层图形化并用丙酮去除正性光刻胶，得到电极点和引出导线图形，如图2(4)所示；
[0055]
s5、在图形化的导电层上再旋涂聚酰亚胺并曝光显影固化后得到2μm厚的上层绝缘层即第一绝缘层，上层绝缘层和下层绝缘层相比，增加了暴露电极点的开孔区域，如图2(5)所示；
[0056]
s6、最后通过稀盐酸腐蚀铝金属牺牲层释放柔性聚酰亚胺基面向多类型神经信号采集的电极阵列，如图2(6)所示。
[0057]
为了进一步说明本发明实施例提出的一种面向多类型神经信号采集电极阵列的工作过程，图3展示了双环拉普拉斯电极进行信号采集，结合拉普拉斯算子进行数据分析，从而实现单神经元信号获取示意图，具体地，双环拉普拉斯电极3在神经信号采集时通过对拉普拉斯外环电极31和拉普拉斯内环电极32的信号差分采集，采集之后利用拉普拉斯算子对信号进行分析，实现对近区域的单神经信号的采集，拉普拉斯电势响应功率以距离的四次方减小，相比于电势响应功率以距离的一次方减小，拉普拉斯电势的响应功率对距离敏感许多，对于信号源距离观测点较远的信号有很强的抑制作用，同时对信号源距离较近的信号的抑制作用很小甚至没有影响。图4为单点电极通过调控电极直径和阻抗，实现局部场电位信号获取示意图，单点电极的直径越大，则阻抗越小；反之，单点电极直径越小，则阻抗越大。图5为匹配大脑皮层不同层中神经元密度的神经信号采集电极阵列两种电极结构的排布示意图，其疏密疏电极数量排布的设置可以合理利用空间，最大化获取神经元信息。
[0058]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。