专利名称：一种高密度植入式平面阵列微电极及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高密度植入式平面阵列微电极的制作方法，可应用于神经疾患治疗、神经生物学基础研究等领域，属于植入式微电极领域。
背景技术：
神经工程系统是当前一个非常活跃且发展迅速的研究领域，比如脑-机接口，神经假体等问题受到越来越多的关注。在神经工程系统中，最基本关键的部分是神经-电子接口，即电极。根据作用对象和应用目标的不同，人们陆续研究和开发了多种形式的植入式微电极，包括箍形微电极、针形阵列微电极、平面阵列微电极和筛形微电极四种。其中平面阵列微电极是加工难度最小的一种微电极形式，在神经生物学基础研究和神经康复方面有着很广泛的应用。由于神经系统的复杂性以及神经细胞数目众多和局部区域的密集分布，因此植入式平面微电极的密度成为影响其性能一个重要的影响因素，直接影响神经电刺激和神经信号记录的质量。比如，对于采用植入视网膜假体进行视觉恢复的患者来说，要想能够较好的恢复视觉，一个非常重要的问题就是用作视网膜假体的平面阵列微电极具有良好的选择性，也就是说要具有较高的电极刺激点密度。
目前国际上通常采用聚合物材料制作三明治形式的(金属层夹在聚合物之间)的平面阵列微电极。其加工工艺简单，成本低，制作周期短，工艺条件成熟。但是其存在的问题是，当制作高密度微电极阵列时，电极面积将会成倍的增加，主要的原因是随着微电极阵列内刺激点数目的增加，连接刺激点的导线数量不断上升，如何在保持原有电极面积的基础上，增加微电极阵列的密度，布线问题成为一个难点。有人提出通过制作有机场效应管(organicfield effect transistor)采用矩阵寻址的方法控制电极，使M×N分布的微电极矩阵只需要M+N条导线而不是M×N条导线就可以控制[Dara Feili，et al.“Flexible organic field effect transistors for biomedical microimplants usingpolyimide and parylene C as substrate and insulator layers”，J.Micromech.Microeng.，2006，161555-1561]，这种方法虽然减少了连接线的数目，但是制作工艺复杂，实现较为困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的高密度植入式平面阵列微电极及其制作方法，通过通孔结构、电镀工艺和化学抛光工艺制作连接绝缘层上下表面的金属层连接结构，实现电极刺激位点或记录位点与其连接导线的隔层分布，提高平面阵列微电极刺激点或记录点密度，改善平面阵列微电极刺激或记录的选择性。
本发明提供的一种高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于所述的植入式微电极包含一层电极刺激位点或记录位点层、一层通孔连接层和至少一层连接导线层；电极刺激位点或记录位点层与其连接导线层分别处于一层或多层隔离绝缘层的不同层面上；电极刺激位点或记录位点层与其连接导线层通过隔离绝缘层上的通孔金属微柱结构连接。其中通孔金属微柱连接结构通过电镀工艺制作，并利用化学抛光工艺处理电镀后的材料表面，使连接金属微柱的上表面与隔离绝缘层的上表面处于同一平面上，保证电镀金属柱与上层溅射金属层良好的电连接。
本发明所述的平面阵列微电极利用聚合物作为绝缘层材料，通过隔层布线的设计，将电极刺激位点或记录位点与其连接导线分布在不同的绝缘层之间，并在隔离绝缘层上制作通孔结构，由电镀工艺在通孔中形成金属连接结构，实现位于隔离绝缘层上下电极刺激位点或记录位点与其连接导线的连接；其中电镀工艺后，采用化学抛光的方法对上层表面进行抛光，使电镀金属柱与上层溅射金属层良好的电连接。
具体而言，首先在已蒸发制备铝膜的硅基片上通过溅射和剥离(Lift-off)工艺制作电极刺激位点或记录位点金属层，电极刺激位点或记录位点金属层材料可以为金、铂或铱，金属层厚度可在100埃至100微米之间；然后通过旋涂或气相沉积制作隔离绝缘层，隔离绝缘层材料可以为二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或聚对二甲苯，绝缘层厚度可在100埃至50微米之间；并通过光刻和反应离子刻蚀在电极刺激位点或记录位点处的绝缘层上制作通孔，通孔金属微柱的面积应小于电极刺激位点或记录位点面积；通过电镀在绝缘层通孔处生长制作金属柱，直至金属柱上表面超出绝缘层上表面，电镀金属材料可以为镍、铜或金；利用化学抛光工艺处理电镀后的材料表面，使金属柱上表面与绝缘层上表面处于同一平面；通过溅射和Lift-off工艺制作电极连接导线金属层，连接金属层材料可以为钛、铬、铜、铝、金或铂，金属层厚度可在100埃至50微米之间；之后，通过旋涂或气相沉积制作上部绝缘层，并通过光刻和反应离子刻蚀开窗暴露焊点，绝缘层材料可以为二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或聚对二甲苯，厚度可在100埃至50微米之间；最后，通过酸腐蚀或电化学腐蚀牺牲层释放电极，牺牲层材料可以为铝、铜或二氧化硅。
本发明提供的高密度植入式平面阵列微电极的制作方法与目前常用的单层金属层电极制作方法相比，可以在单位面积上制作更高密度的阵列微电极，实现植入式阵列微电极更高选择性刺激或记录，改善电极的刺激或记录效果。且整个制作工艺简单、成熟，易于高密度植入式平面阵列微电极的批量生产。
图1为本发明实施例蒸发铝膜制作释放牺牲层示意2为本发明实施例利用溅射、Lift-off工艺制作电极刺激位点或记录位点金属层的示意3为本发明实施例利用聚酰亚胺光刻制作隔离绝缘层示意4为本发明实施例利用电镀工艺形成金属柱连接结构示意5为本发明实施例利用化学抛光工艺处理电镀后隔离绝缘层上表面示意6为本发明实施例利用溅射结合Lift-off工艺制作电极连接导线金属层的示意7为本发明实施例利用聚酰亚胺光刻制作外绝缘层示意8为本发明实施例利用电化学腐蚀牺牲层释放电极后的结构示意图具体实施方式
实施例1下面结合附图进一步说明本发明提供的高密度植入式平面阵列微电极制作方法的具体特点1)利用常规半导体工艺清洗方法清洗硅片1，并在表面蒸发制备约1微米厚铝膜2，作为电镀导电结构和释放的牺牲层(图1)；2)120℃烘烤硅片20分钟，在硅片的铝膜层上甩涂6809光刻胶(3000转/分钟，30秒)，80℃前烘20分钟；3)光刻，溅射Ti/Pt/Ti(2500)，结合Lift-off工艺，形成电极刺激位点或记录位点金属层3(图2)；4)旋涂光敏性聚酰亚胺Durimide 7510(3000转/分钟，30秒)，制作隔离绝缘层4，并光刻形成通孔结构5，350℃氮气环境中实现结构的完全固化(图3)；。
5)电镀Ni形成连接微金属柱6，直至金属柱平面高于聚酰亚胺层上表面(图4)；6)化学抛光形成光滑平整表面(图5)；7)抛光后的表面甩涂6809光刻胶(3000转/分钟，30秒)，80℃前烘20分钟；
8)光刻，溅射Ti/Pt(2000)，结合Lift-off工艺，形成电极连接导线金属层7(图6)；9)旋涂光敏性聚酰亚胺Durimide 7510(3000转/分钟，30秒)，制作外绝缘层8，并光刻开窗，暴露焊接位点9，350℃氮气环境中实现结构的完全固化(图7)；10)电化学腐蚀铝膜释放电极(图8)。
权利要求
1.一种高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于所述的平面阵列微电极结构由一层电极刺激位点或记录位点层、一层通孔连接层和至少一层连接导线层组成。
2.根据权利要求1所述的高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于所述的电极刺激位点或记录位点与其连接导线分别处于一层或多层绝缘层的不同层面上。
3.根据权利要求1所述的高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于所述的电极刺激位点或记录位点与其连接导线的绝缘层通过隔离绝缘层上的通孔金属微柱结构连接的。
4.根据权利要求3所述的高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于连接金属微柱的上表面与隔离绝缘层的上表面处于同一平面上。
5.根据权利要求3所述的高密度植入式平面阵列微电极，其特征在于通孔金属微柱面积小于电极刺激位点或记录位点面积。
6.制作如权利要求1-5任意一项所述的高密度植入式平面阵列微电极的方法，其特征在于所述的阵列微电极利用聚合物作为绝缘层材料，通过隔层布线的设计，将电极刺激位点或记录位点与其连接导线分布在不同的绝缘层之间，并在隔离绝缘层上制作通孔结构，由电镀工艺在通孔中形成金属连接结构，实现位于隔离绝缘层上下电极刺激位点或记录位点与其连接导线的连接；其中电镀工艺后，采用化学抛光的方法对上层表面进行抛光，使电镀金属柱与上层溅射金属层良好的电连接。具体制作步骤是1)通过溅射和剥离工艺在基底材料上制作电极刺激位点或记录位点金属层；2)通过光刻制作隔离绝缘层及连接通孔；3)利用电镀通过通孔制作连接金属层；4)化学抛光形成光滑平整表面；5)通过溅射和剥离工艺制作连接导线金属层；6)通过光刻制作上部绝缘层及焊接点窗口；7)腐蚀牺牲层释放电极。
7.根据权利要求6所述的高密度植入式平面阵列微电极的制作方法，其特征在于所述的隔离绝缘层通过旋涂或气相沉积制作隔离绝缘层，绝缘层材料为聚酰亚胺或气相沉积二氧化硅、氮化硅或聚对二甲苯，其厚度为100埃至500微米之间。
8.根据权利要求6所述的高密度植入式平面阵列微电极的制作方法，其特征在于连接金属层为钛、铬、铜、铝、金或铂，厚度为100埃至50微米。
9.根据权利要求6所述的高密度植入式平面阵列微电极的制作方法，其特征在于电极刺激点或记录位点金属材料为金、铂或铱，金属层厚度为100埃至100微米。
10.按权利要求6所述的高密度植入式平面阵列微电极的制作方法，其特征在于通过酸腐蚀或电化学腐蚀牺牲层来释放电极，牺牲层材料为铝、铜或二氧化硅。
全文摘要
本发明公开了一种高密度植入式平面阵列微电极及其制作方法，其特征在于所述的阵列微电极利用聚合物作为绝缘层材料，通过隔层布线的设计，将电极刺激位点或记录位点与其连接导线分布在不同的绝缘层之间，并在隔离绝缘层上制作通孔结构，由电镀工艺在通孔中形成金属连接结构，实现位于隔离绝缘层上下电极刺激位点或记录位点与其连接导线的连接；其中电镀工艺后，采用化学抛光的方法对上层表面进行抛光，保证电镀金属柱与上层溅射金属层良好的电连接。本发明提供的制作方法可以在单位面积上制作比常规单层布线设计更高密度的阵列微电极，实现植入式阵列微电极更高选择性刺激或记录。
文档编号A61N1/36GK101073687SQ200710040830
公开日2007年11月21日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者李刚, 孙晓娜, 周洪波, 姚源, 赵建龙 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所