一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列及其设计方法

1.本发明涉及神经科学、医用机械以及生物医学工程技术领域，具体地，涉及一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列及其设计方法。


背景技术：

2.人脑有大约上百亿个神经元，每个神经元都相当于一个二进制编码，脑电波作为想法的载体，在人思考某件事时，会发出60毫伏~130毫伏的信号（静默的时候不发出信号）。将这些信号提取出来，进行分析脑电信号与思想或行为模式之间的对应关系，识别想法。找到这种对应关系，人就可以直接通过脑电，二无须用肢体或器官完成思想或意志表达。获取这些信号最重要的手段之一就是神经接口技术，通过极小的电极接近神经元，获取单个神经元的信号，但很多动作或想法需要是个或数百个神经元相互协同发生的，所以只获得单个神经元的信号是远远不够的。
3.stuart f. cogan等人在annu int conf ieee eng med biol soc. 2014:6850-3发表的论文the effect of electrode geometry on electrochemical properties measured in saline中公开了三个不同几何形状（圆形电极，矩形电极，正方形电极）的电极的设计，尺寸范围在0.0023平方毫米~0.0031平方毫米，尺寸范围较小，能够测量到的电极个数相对局限，只针对了单个神经元的信号记录的研究。
4.bo fan等人在期刊j. neural eng.18 (2021) 056025发表的impedance scaling for gold and platinum microelectrodes一文中，公开了半径为3微米~125微米的16通道柔性微电极电极，其设计的尺寸范围局限在微电极的研究范围，且共用了一个大的通道，不能大区域的测量一簇神经元。
5.综上，虽然关于电极的设计得到了一定的研究，但是文献中大多集中于单个神经元的信号的电极设计，或者高密度通道的多个极小电极的设计，忽略了跨尺寸电极测量范围的设计。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列及其设计方法。所述跨尺寸是指不同几何形状的长宽或周长或面积或两者之间的比值，其中固定的尺度不同，不局限于直径（半径）。
7.为实现上述目的，本发明提供一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列的设计方法，其利用多通道的连接器设计多个相同的电极阵列，每个电极阵列包含有多个不同尺寸的电极，不同尺寸电极点用于记录单个或多个神经元信号以及刺激单个或多个神经元；具体设计过程如下：第一步，确定通道数量，选择连接器，并理清对应通道的关系；根据研究目的确定电极点（刻蚀层）尺寸大小并估算每个电极能够接触的神经元的个数；确定电极点的分布位置以及导线连线的线宽；
第二步，利用设计工具根据确定好的需求设计掩膜版的导线层以及刻蚀层的版图设计图并制作出掩膜版；第三步，制作设计好的电极，通过光刻，刻蚀等微纳工艺制备电极阵列。
8.本发明中，第一步中所选的连接器的通道数范围为16~64个，要有至少一个通道作为接地点，能够在测试环境中形成一个安全回路。
9.本发明中，第一步中电极点的大小范围在5微米~1000微米，也可以根据现有的工艺水平适当的调整这个范围，相邻电极点尺寸大小呈递增趋势，并依次排列在一起形成一个电极阵列，每个电极测量的神经元个数范围不一样，并估算每个电极测量的神经元个数；导线的线宽5微米~100微米，可根据工艺水平以及研究要求选定一个尺寸，线宽不能太小，保证工艺水平能够达到，同时连接大尺寸电极时不容易断裂；线宽也不能太大，导致集成密度降低。
10.本发明中，第二步中导线层的电极点的尺寸大小要比刻蚀层的电极点大一些：刻蚀层的电极点直径在20微米以下，导线层电极点的直径可以用范围20微米~30微米中某个固定的尺寸；刻蚀层的电极点直径大于20微米小于100微米，导线层电极点的直径要比刻蚀层的电极点大20%以上；刻蚀层的电极点直径大于100微米，导线层电极点的直径要比刻蚀层的电极点大10%以上。
11.本发明中，第二步中导线层的电极点与导线的连接处的导线宽度要比其它位置处的导线宽度大一点，比如与圆形电极点相交的点与圆心的连线的角度要大于60度，避免连接处出现断裂的情况。
12.本发明中，第三步中在刻蚀时，将跨尺寸的电极划分四个范围，分别为超微尺寸范围小于15微米；微尺寸范围大于20微米小于50微米；小尺寸范围大于50微米小于100微米以及大尺寸范围大于100微米；分别对四个尺寸范围的电极点采用不同的工艺参数进行刻蚀，暴露电极点。
13.本发明还提供一种基于上述设计方法获得的具有跨尺寸电极点的神经电极阵列。
14.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明为对跨尺寸电极点的系统研究提供了一种思路及划分标准，相对于单一尺寸的电极阵列，每个跨尺寸电极阵列包含有多个不同尺寸的电极，不同尺寸电极点用于记录单个或多个神经元信号以及刺激单个或多个神经元。针对不同范围的电极点采用不同工艺参数进行刻蚀，相对于只采用单一刻蚀掩膜版与工艺的方法，保证了电极点的刻蚀精度，防止过度刻蚀或没有完全刻蚀。
附图说明
15.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：图1为本发明一实施例具有跨尺寸电极点的神经电极阵列的导线层版图设计。
16.图2为本发明一实施例具有跨尺寸电极点的神经电极阵列的刻蚀层版图设计（分为四块掩膜版）。
17.图3为本发明一实施例具有跨尺寸电极点的神经电极阵列电极点排列的设计图。
18.图4为本发明一实施例具有跨尺寸电极点的神经电极阵列单个器件的设计图。
具体实施方式
19.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。
20.实施例1本实施例提供一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列，具体制备过程如下：（1）确定64通道的连接器，16个跨尺寸的电极点形成一个阵列，包含4个阵列。所选连接器对应两点，一有两个悬空点，二两个作为接地点；（2）确定16个电极点的尺寸，计算可以接触的神经元个数，如表1；（3）确定电极的分布位置以及间隔，如图3所示；导线的线宽为50微米，如图4所示；（4）画连接器的对应点以及确定好的电极点，布线排线（导线要画长一点，有利于工艺制作），尽量聚集在中间（制备电极时，边缘容易破损），电极点与导线的连接处都按60度为准；（5）对应导线层画出刻蚀层的电极点和连接点，画出外边框包围整个器件，完成单个的器件设计；（6）选择4英寸的硅片作为衬底，画出硅片相应的形状大小，分布四个相同的器件，在边缘画对准标记用于套刻时的对准；矩形白色对准标记用于粗对准，方形块中的十字以及t字对准标记用于精细对准；（7）检查细节，制作掩模版，图1、图2为掩模版效果图；（8）采用化学气相沉积法在硅片上沉积一层parylene-c，厚度为2微米；（9）甩正胶并用导线层掩膜版作为图形化样板进行图形化，溅射或蒸镀电极导电层，采用lift-off工艺去除光刻胶，金属层构成电极的导电结构。再次采用化学气相沉积法沉积第二层parylene-c，厚度为2微米；（10）甩正胶并用第一块刻蚀层掩膜版（小于20微米）作为图形化样板进行图形化，采用反应离子刻蚀进行第一次刻蚀parylene-c，暴露出小于15微米范围的电极点；（11）甩正胶并用第二块刻蚀层掩膜版（大于20微米小于50微米）作为图形化样板进行图形化，采用反应离子刻蚀进行第二次刻蚀parylene-c，暴露出大于20微米小于50微米范围的电极点；（12）甩正胶并用第三块刻蚀层掩膜版（大于50微米小于100微米）作为图形化样板进行图形化，采用反应离子刻蚀进行第三次刻蚀parylene-c，暴露出大于50微米小于100微米范围的电极点；（13）甩正胶并用第四块刻蚀层掩膜版（大于100微米）作为图形化样板进行图形化，采用反应离子刻蚀进行第四次刻蚀parylene-c，暴露出大于100微米范围的电极点；（14）清洗掉残余光刻胶后，直接封装电极的连接器。
21.表1 电极的加工尺寸及对应的测量的神经元个数
综上所述，本发明提供了一种具有跨尺寸电极点的神经电极阵列及其制备方法，且对尺寸范围作了一个划分，可作为一个划分标准进行制备。
22.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。