一种微电极阵列的制备方法与流程

本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种微电极阵列的制备方法，具体的讲是一种方便进行电学性能及机械性能测试的微电极阵列的制备方法。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

植入式微电极阵列作为植入式器件与人体的接口，其一端连接到器件有源端，另一端与人体组织接触，该种植入式微电极阵列起到与人体通讯的作用，它能产生电信号作用到人体，或接受人体产生的生物信号。目前这种植入式微电极阵列已经被应用在人造视网膜、人造耳蜗、神脑刺激器、脊髓刺激器等植入式器件。因此植入式微电极阵列作为器件与人体组织的接口，首先其需要具有长期生物兼容性及稳定性，其次则要保证微电极阵列具有优异的电学及机械性能。电学性能需要保证植入式微电极阵列所有通道的导通率，以及每一条通道自身阻抗及电极与人体组织的界面阻抗，机械性能则是指在进行植入手术时或在长期植入人体的过程中不会因为机械损伤影响植入式微电极阵列的电学性能，要保证在长期的植入人体的过程中不会发生微电极阵列的机械损伤或老化损伤，从而影响微电极阵列在人体中的正常功能。

人造视网膜作为最复杂的一类植入式器件，其对微电极阵列的要求也更高。人造视网膜中的微电极阵列一端通过封装体连接到刺激IC，另一端贴合在视网膜上，该微电极阵列作为一个传输载体将刺激IC产生的刺激信号作用到视网膜，使盲人患者产生光幻视。若想让盲人患者产生高分辨率的光幻视，则需要微电极阵列具有多的通道数，这样在视网膜区域内排布高密度的刺激电极阵列，产生的刺激信号能使患者得到高分辨率的光幻视图像。而人体视网膜的有效刺激面积约为5×5mm²，根据研究表明，当微电极阵列的刺激电极数目达到1000个以上时，刺激信号产生的光幻视将能使患者进行简单的人脸识别及阅读，电极数量降低，则产生的光幻视质量也越低，目前唯一的一款商用产品Argus II的电极数目只有60个，只能使患者产生光感，并不能很好的分清观察到的图像的轮廓，因此人造视网膜微电极阵列中的刺激电极数量要尽可能的多。但在5×5mm²的有效视网膜面积内，排布几百甚至上千个刺激电极点，再将这些刺激电极点通过连线连接到电极阵列与刺激IC相连的另一端，还是存在很大的难度的。因为随着刺激电极数目的增加，刺激电极及连线的尺寸都将减小，这大大增加了制备难度，且制备好的微电极阵列有可能不具有完好的电学性能。这就需要通过测试微电极阵列中每一条通道的阻抗，首先验证微电极阵列所有通道的导通率，在保证导通率的情况下，在通过电化学的方法去测试刺激电极的界面阻抗，最后通过电化学电镀的方法对刺激电极表面进行修饰，使刺激电极界面阻抗降低一个合适的值。

在微电极阵列的电学性能达到理想值之后，微电极阵列还需进行机械测试、老化测试等可靠性测试，用于验证微电极阵列在进行手术植入过程中或在人体内的长期植入过程中，不会因为机械损伤或老化损伤而影响微电极阵列在人体中的正常工作。因此在微电极阵列进行所需的可靠性测试前后需要分别测试电学性能，来评估微电极阵列的可靠性，再加以改进。目前测试的难点依然在于微电极阵列的电极通道数太多，而每条通道的尺寸太小，难以对所有的电极通道进行无损可靠的电连接，使微电极阵列的在可靠性测试前后的电学性能难以测试，难以评估制备的微电极阵列的性能。

现有的测试植入式微电极阵列导通率及对微电极阵列进行电镀目前比较困难，因为微电极阵列的刺激端的电极尺寸较小，另一端需与IC相连的焊盘区域待焊接焊点的尺寸也很小，一般当电极阵列中电极数目达到上百个时，每个电极点的尺寸在几百微米左右，每条电连接通道宽度在10微米左右，当电极点的数目达到1000时，每个电极点的尺寸才几十微米，每条电连接通道的宽度只有几个微米，因此很难对所有的通道都进行无损高效的测试。目前常用的方法为：首先，通过MEMS工艺在硅衬底上制备所需的植入式柔性微电极阵列；然后，将微电极阵列从硅衬底上揭下；然后，将微电极阵列与刺激IC相连的一端焊接到特定测试PCB上，该PCB一端做出与微电极阵列焊接端相对应的金属焊盘，方便将微电极阵列与PCB焊接，另一端设计为可以插排针的结构，PCB上的每一个排针与一个焊接点相连，对应一个刺激电极。这样当微电极阵列与PCB焊接好后，就可以通过PCB上的排针对微电极阵列的刺激电极点进行界面阻抗测试，并进行电镀。通过记录各个刺激电极点界面阻抗的值就能分辨出改通道是否导通，进而确定该微电极阵列的导通率。但是，用这种办法对微电极阵列进行导通率测试及电镀，只能对电极数量不多的微电极阵列进行，因为一般PCB的最小线条宽度为3mil，约76微米，这样PCB与微电极阵列焊接的另一端就只能做很少的焊点，因此这种方法不能对高密度的微电极阵列进行测试。另外，一般讲微电极阵列与PCB焊接都是采用金丝球焊，这样焊接之后就很难再将微电极阵列从PCB上取下来，属于有损的焊接方式。因此，需要一种能无损测试高密度微电极阵列的导通率，并进行电镀的方法。这样能方便的对微电极阵列的所有通道进行测试，既能测试微电极阵列的电学性能，又能对可靠性测试前后电学性能进行对比，评估微电极阵列的可靠性并进行改进。

另一种可对高密度微电极阵列进行电学性能测试，或在可靠性测试前后进行电学性能测试的方法为使用工业探针卡。探针卡为一种测试接口，将探针卡上的探针直接与微电极阵列的焊盘位置一一对应接触，将测试信号通过探针卡传输到微电极阵列上，对微电极阵列的电学性能进行测试。但这种探针卡一般需定制，且当作用在高密度微电极阵列上时，探针卡的尺寸将变得很小，这大大增加了制作难度及成本，价格非常昂贵，且这种探针卡的探针一般为硬质材料制成，当用其对柔性高密度微电极阵列进行测试时，有可能或损伤微电极阵列的焊接端，影响微电极阵列的性能及寿命。

也就是说，现有技术的缺点为无法对高密度微电极阵列进行可靠、无损的电连接，这就使得无法对高密度微电极阵列进行有效的电学测试或可靠性测试。

技术实现要素：

本发明提出了一种微电极阵列的制备方法，可对高密度微电极阵列进行可靠、无损的电连接，方便进行电学测试或可靠性测试，且在测试之后可以方便的去除附加的电连接结构，而且不损伤电极。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种微电极阵列的制备方法，包括：步骤1，制备基底；步骤2，在所述基底上制备第一柔性绝缘衬底，并通过干法刻蚀的方法对所述第一柔性绝缘衬底进行图形化；步骤3，在所述第一柔性绝缘衬底上制备金属电连接结构；步骤4，在所述金属电连接结构上制备一介电层，并通过干法刻蚀的方法将所述介电层图形化，使得所述介电层包裹住所述第一柔性绝缘衬底；步骤5，在所述介电层上制备第二柔性绝缘衬底，并在所述第二柔性绝缘衬底上制备微电极阵列的金属结构；步骤6，在所述微电极阵列的金属结构上制备第三层柔性绝缘衬底，并通过干法刻蚀的方法制备出所述微电极阵列的轮廓，释放出金属刺激电极点及焊接点，其中所述焊接点的通孔位置被刻穿，暴露出底层与其对应的金属电连接结构；步骤7，将所述微电极阵列的焊接点与所述金属电连接结构焊接到一起；步骤8，去除所述基底。

进一步地，在一实施例中，在所述步骤1中，选取硅片、氧化硅片或玻璃片作为所述基底。

进一步地，在一实施例中，在所述步骤2中，采用旋涂或沉积的方法制备所述第一柔性绝缘衬底在所述基底上，并进行热固化或紫外固化处理，所述第一柔性绝缘衬底的材料为聚酰亚胺或者聚对二甲苯。

进一步地，在一实施例中，在所述步骤3中，通过光刻、镀膜及剥离工艺，制备出底层附加的金属电连接结构，其一端设计成与所述微电极阵列焊接端相对应的结构，另一端设计为方便与测试设备相连的结构；所述金属电连接结构的材料为铝或金。

进一步地，在一实施例中，在所述步骤4中，采用物理气相沉积、化学气相沉积或者直接旋涂的方法制备所述介电层，所述介电层为二氧化硅、氮化硅或者光刻胶。

进一步地，在一实施例中，在所述步骤5中，所述微电极阵列的两端分别为所述金属刺激电极点和所述焊接点，每个所述金属刺激电极点和焊接点通过引线一一相连，其中所述焊接点具有通孔结构，且与底层的金属电连接结构的被焊接端在结构上一一对应；

进一步地，在一实施例中，所述微电极阵列的金属结构的材质选用钛、金或铂。

进一步地，在一实施例中，在步骤7中，采用铝丝焊接机或金丝球焊接机将所述微电极阵列的焊接点与所述金属电连接结构焊接到一起。

进一步地，在一实施例中，当电学测试完成后，若采用铝作为所述金属电连接结构的材料，且选用所述铝丝焊接机进行焊接，则采用湿法腐蚀去除掉铝，再将所述介电层腐蚀掉，即去除掉所述金属电连接结构。

进一步地，在一实施例中，所述干法刻蚀采用反应离子刻蚀设备或者感应耦合等离子体刻蚀设备进行刻蚀，且刻蚀掩膜采用光刻胶或金属，其通过光刻、镀膜及剥离的方法制备。

本发明实施例的微电极阵列的制备方法，通过工艺创新在微电极阵列的制备过程中引入了一种附加的金属电连接结构，可以解决高密度微电极阵列无法进行电学测试的问题。这种附加的金属电连接结构制备在一块柔性衬底上，且与微电极阵列本身结构通过一层介电层分隔开，其一端与微电极阵列的焊盘位置对应，另一端设计成方便连接的结构，甚至可完全连接到PCB，这样可实现对这种高密度微电极阵列的自动化测试，或对微电极阵列进行可靠性测试前后实现电学性能测试，评估器件的可靠性。并且，这层附加的电连接结构若作为高密度微电极阵列自动化电学测试用，则可在进行完测试后将这个附加的电连接结构去除掉，且不影响微电极阵列本身的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的微电极阵列的制备方法的处理流程图；

图2为本发明实施例的形成基底的剖面示意图；

图3为本发明实施例的制备第一柔性绝缘衬底的剖面示意图；

图4为本发明实施例的图形化第一柔性绝缘衬底的剖面示意图；

图5为本发明实施例的制备附加的金属电连接结构的剖面示意图；

图6为本发明实施例的制备介电层的剖面示意图；

图7为本发明实施例的图形化介电层的剖面示意图；

图8为本发明实施例的制备第二柔性绝缘衬底的剖面示意图；

图9为本发明实施例的步骤制备金属电极阵列的剖面示意图；

图10为本发明实施例的制备第三柔性绝缘衬底的剖面示意图；

图11为本发明实施例的干法刻蚀释放焊接通孔并图形化电极的剖面示意图；

图12为本发明实施例的焊接实现电连接的剖面示意图；

图13为本发明实施例的去除基底的剖面示意图；

图14为本发明实施例的去除附加的金属电连接结构的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

本发明方案通过在微电极阵列的制备过程中引入一些附加的电连接结构，代替传统的利用PCB去测试的方法，使最终制备出的微电极阵列容易进行电学测试，这些附加的电连接结构可以在微电极阵列制备完成后随微电极阵列一起揭下，并通过这些附加的结构与测试设备进行电连接，在完成测试后这些附加的电连接结构还可以被去除掉，且不会影响微电极阵列本身的完好性。本发明属于工艺创新，通过新的制备工艺引入一些附加结构，解决了高密度微电极阵列难以进行电学测试和可靠性测试，或在进行测试过程中会损伤微电极阵列的问题。这种附加的电连接结构同样制备在一块柔性基底上，一端与微电极阵列的焊盘位置一一对应，另一端准备成方便与测试设备连接的结构，对于高密度电极应用，这一端还可设计成与高密度PCB相对应的结构，方便进行高密度电极的自动化测试。若将这种带附加电连接结构的样品连接上PCB，再将PCB连接到自动化阻抗测试或电镀系统，则可实现对高密度微电阵列的自动化阻抗测试及电镀，节省时间及成本。完成自动化测试后，还可选择性的将这块制备在柔性衬底上的附加电连接结构去除掉，且不损坏微电极阵列本身，实现对高密度微电极阵列的高效、无损的自动化电学测试。

本发明提出了一种创新的微电极阵列制备工艺，利用该种工艺科制备出带有附加电连接结构的微电极阵列，该种结构可进行高密度微电极阵列的高效、无损的自动化电学性能测试，且可在对微电极阵列可靠性测试前后方便的进行电学性能测试，评估微电极阵列的可靠性。

如图1所示，为本发明的微电极阵列的制备方法的处理流程图。该方法包括步骤S101～步骤S108。

步骤S101，制备基底；

步骤S102，在所述基底上制备第一柔性绝缘衬底，并通过干法刻蚀的方法对所述第一柔性绝缘衬底进行图形化；

步骤S103，在所述第一柔性绝缘衬底上制备金属电连接结构；

步骤S104，在所述金属电连接结构上制备一介电层，并通过干法刻蚀的方法将所述介电层图形化，使得所述介电层包裹住所述第一柔性绝缘衬底；

步骤S105，在所述介电层上制备第二柔性绝缘衬底，并在所述第二柔性绝缘衬底上制备微电极阵列的金属结构；

步骤S106，在所述微电极阵列的金属结构上制备第三层柔性绝缘衬底，并通过干法刻蚀的方法制备出所述微电极阵列的轮廓，释放出金属刺激电极点及焊接点，其中所述焊接点的通孔位置被刻穿，暴露出底层与其对应的金属电连接结构；

步骤S107，将所述微电极阵列的焊接点与所述金属电连接结构焊接到一起；

步骤S108，去除所述基底。

在具体实施时，步骤S101中，如图2所示，准备基底，并进行清洗。基底可为硅片，氧化硅片，玻璃片等介电性能较好的基底。

在具体实施时，步骤S102中，如图3所示，在基底上制备第一层柔性绝缘衬底。该衬底一般采用旋涂或沉积的方法制备在基底上，并进行热固化或紫外固化处理，厚度一般在几微米到几十微米之间，衬底材料一般为具有生物兼容性的聚酰亚胺(PI，polyimide)，或聚对二甲苯(PA，parylene)。

并且，在步骤S102中，制备第一层柔性绝缘衬底后，如图4所示，通过干法刻蚀的方法对柔性衬底进行图形化。干法刻蚀的掩膜可选用金属或光刻胶，一般通过光刻、镀膜、剥离等工艺实现。图形化的结构作为附加的电连接结构的衬底。

在具体实施时，步骤S103中，如图5所示，在基底上进行光刻、镀膜及剥离工艺，制备出底层附加的金属结构用于电连接，附加的金属电连接结构的一端设计成与所述微电极阵列焊接端相对应的结构，另一端设计为方便与测试设备相连的结构。金属可采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法制备，材料选择铝或者金。选择铝做为金属材料时，适用于对高密度微电极阵列做自动化电学测试，测试后可将附加的电连接结构去除掉，且不损坏微电极阵列本身。选择金作为金属材料是，附加的电连接结构无法去除掉，适合做可靠性测试前后对微电极阵列进行电学测试。

在具体实施时，步骤S104中，如图6所示，制备一层介电层，作为底部附加的电连接结构与上面正常的微电极阵列的中间层，这层介电层是可以被选择性的腐蚀掉的，这样就将附加的电连接结构与微电极阵列剥离开。这层介电层可以选择二氧化硅或氮化硅或光刻胶等，制备方法可以采用物理气相沉积、化学气相沉积或直接旋涂等。

并且，在步骤S104中，如图7所示，将介电层图形化，一般采用干法刻蚀的办法将节点层图形化，使介电层包裹住底层的第一柔性绝缘衬底。干法刻蚀的掩膜可选用金属或光刻胶，一般通过光刻、镀膜、剥离等工艺实现。

在具体实施时，步骤S105中，如图8所示，制备第二层柔性绝缘衬底，这层衬底是微电极阵列中的衬底结构。制备方法同步骤2。

并且，在步骤S105中，如图9所示，在第二层柔性绝缘衬底上制备微电极阵列的金属结构。所述微电极阵列的两端分别为所述金属刺激电极点和所述焊接点，每个所述金属刺激电极点和焊接点通过引线一一相连，其中所述焊接点具有通孔结构，且与底层的金属电连接结构的被焊接端在结构上一一对应。微电极阵列的金属结构一般选用生物兼容的钛、金、铂等，其采用光刻、镀膜、剥离等工艺实现。

在具体实施时，步骤S106中，如图10所示，制备第三层柔性绝缘衬底，这层绝缘衬底是微电极阵列中的顶层绝缘层结构。制备方法同步骤2。

并且，在步骤S106中，如图11所示，通过刻蚀的方法制备出植入式微电极阵列的轮廓，并释放出金属刺激电极点及与IC相连的焊接点，其中焊接点的通孔位置被刻穿，暴露出底层与其对应的电连接结构。刻蚀采用干法刻蚀的方法，一般采用RIE(Reaction Ion Etch，反应离子刻蚀)或ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体刻蚀)设备进行刻蚀，刻蚀掩膜可采用光刻胶或金属，一般通过光刻，镀膜及剥离的方法可制备出刻蚀掩膜。

在具体实施时，步骤S107中，如图12所示，将微电极阵列焊接端的焊点与底层的电连接结构，通过焊点中间的通孔，焊接到一起，可采用铝丝焊线机或金丝球焊机进行焊接。采用铝进行时底部的附加电连接结构也需要是铝，焊接即可保证上下两层金属具有优异的电连接性能，又能保证在对微电极阵列进行电学测试后，能将铝丝焊点进行湿法腐蚀掉，并且可将底层的电连接结构去除，而不会损坏微电极阵列本身材料的完整性。采用金进行焊接时底部的附加电连接结构也不要采用金，则能保证焊接点的可靠性，不易因为环境的因素损坏焊接点，这种焊接方法可进行可靠性测试。

在具体实施时，步骤S108中，如图13所示，焊接完成后可将微电极阵列从基底上揭下来，并将其连接到测试端，进行电学测试或可靠性测试等。

测试完成后，如图14所示，若采用铝作为附加的电连接结构的金属材料，且选用铝丝焊线机进行焊接，则可选择将附加的电连接结构去除掉。首先先用湿法腐蚀去除掉铝，然后在将介电层腐蚀掉，即可得到测试之后的完好无损的微电极阵列。

本发明实施例的微电极阵列的制备方法，通过工艺创新在微电极阵列的制备过程中引入了一种附加的金属电连接结构，可以解决高密度微电极阵列无法进行电学测试的问题。这种附加的金属电连接结构制备在一块柔性衬底上，且与微电极阵列本身结构通过一层介电层分隔开，其一端与微电极阵列的焊盘位置对应，另一端设计成方便连接的结构，甚至可完全连接到PCB，这样可实现对这种高密度微电极阵列的自动化测试，或对微电极阵列进行可靠性测试前后实现电学性能测试，评估器件的可靠性。并且，这层附加的电连接结构若作为高密度微电极阵列自动化电学测试用，则可在进行完测试后将这个附加的电连接结构去除掉，且不影响微电极阵列本身的性能。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。