LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件及其制备方法与流程

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的微电极，具体地，涉及一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件及其制备方法。

背景技术：

在过去的几十年里，电刺激为研究大脑功能带来了巨大帮助。为了研究在复杂神经网络中有多少神经元之前相互作用，推进神经科学的进一步发展，选择性地激活或抑制某种特定类型的神经元成为必需，而电刺激无法有效实现这一功能。近年来，光遗传学(Optogenetics)为神经回路分析带来了革命性变化，通过将光敏蛋白(视蛋白)引入特定类型的细胞，使得这些细胞可以对光刺激作出响应，出现明确的动作电位模式。

利用一定波长的光照射特定视蛋白，可精准控制特定细胞在空间和时间上的活动。例如，视紫红质通道蛋白2(ChR2)和嗜盐菌紫质(NpHR)可以同时表达在同一细胞中，分别利用蓝光(473nm)和黄光(590nm)来实现目标神经元细胞的去极化和超极化。这种组合的特定靶细胞可以精确操控神经元活动。可以选择性地处理单个神经元，同时测量特定神经计算期间的放电时间和行为，其时间精度可达到几毫秒。为了最大程度发挥这些视蛋白的优势，用于同步光传递和电生理记录的工程工具急需开发。

近年来，先进的微加工技术用来制造小型化的光学神经植入器件，以实现多点、局部、高空间分辨率的三维大脑光刺激。这些器件基于不同光源分为两类，一类是激光，另一类是发光二极管LED，相比于目前使用较多的激光光源，LED光源有着独特的优势，包括功耗低，照明稳定，开关迅速，结构紧凑，力学柔性，空间分辨率高，且适合无线集成，为完全植入自由活动动物体的系统研发提供了可能性。其中，表面贴附式微型LED阵列在小鼠、大鼠、猕猴等动物的大脑皮层上的应用刚刚开始得到关注，同步ECoG脑电信号采集作为反馈，可用来表征光刺激对大脑神经元环路的影响。

经对现有技术的检索和对比，Kwon K Y,Sirowatka B,Weber A等人在Biomedical Circuits and Systems,IEEE Transactions on,2013,7(5):593-600撰文“Opto-μECoG Array:A Hybrid Neural Interface with TransparentμECoG Electrode Array and Integrated LEDs for Optogenetics”，文中独立制备了用于神经电信号记录的透明ITO微电极阵列和用于神经元光刺激的LED阵列，每个子阵列包含16个通道并被封装成2.5×2.5mm²的尺寸以适应大鼠视觉皮层的双侧半球区域，每个透明记录电极点的正上方装配一个微型LED芯片，芯片尺寸220×270×50μm²，峰值波长460nm。制备LED阵列主要方法是：在柔性Parylene C衬底上沉积并湿法刻蚀铜作为LED导线层，光刻胶作为掩膜，露出需要和LED焊盘接触的金属，涂覆低熔点焊锡，再将嵌入在PDMS模具上的微型LED芯片焊盘和焊锡点对齐实现贴合。两个电极阵列的结合主要依靠在透明记录电极背面旋涂一层50μm厚的SU-8作为胶黏剂，再将装配好的LED阵列对准键合到记录电极阵列上，形成总厚度75μm的LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极。这种电极的优点是LED发光从透明电极点正上方穿过，下方记录点记录得到的信号是LED最大光刺激位置。但由于SU-8胶黏剂的引入，增加了电极整体厚度，影响了电极柔性和贴附在大脑皮层时的保形性，另外，透明金属氧化物ITO易脆，长期使用会发生破裂脱落，影响记录电极性能，因此不适用于长期植入使用。

Kassiri H,Salam M T,Der Chen F等人在Biomedical Circuits and Systems Conference(BioCAS),2015IEEE,2015:1-4撰文“Inductively powered arbitrary-waveform adaptive-supply electro-optical neurostimulator”，文中提及制备光电一体电极阵列的过程：在厚度为100μm的聚酰亚胺(PI)薄膜上溅射沉积800nm厚金，金属图形化形成LED金属导线，将LED焊在金接触点上，并用环氧树脂胶粘在两层PI制备的ECoG记录电极之间。电极上一共集成了8个LED和4×4个金记录点，LED发光透过记录电极上直径300μm的孔射出，电极总厚度达到1.5mm。这种电极的缺点是厚度大，柔性差，无法保证电极点和组织之间形成良好接触，影响记录效果。

Richner T J,Thongpang S,Brodnick S K等人在Journal of neural engineering,2014,11(1):016010撰写“Optogenetic micro-electrocorticography for modulating and localizing cerebral cortex activity”，文中在15μm厚Parylene C基底上图形化了直径150μm，间距500μm的4×4个铬/金/铂(10/200/20nm)金属电极点，上面再沉积一层10μm厚Parylene C，完成ECoG记录电极制备，文中没有制备LED阵列，而是先用1个峰值波长465nm的LED作为光源照射整个记录电极区域，再用4个LED轮流照射记录电极不同区域。这种方式的缺点是LED光源和记录电极分离，光源或电极的晃动将无法保证LED光源和记录电极的相对位置，若光源接触到金属电极点，由于光电效应会在记录的电压信号中引入伪迹。

综上所述，目前报道的以上几种将LED光源和ECoG记录电极结合的方法都存在有一定问题，而文献中未见报道金丝球焊法制备LED光刺激电极和ECoG记录电极结合这种光电一体电极器件。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件及其制备方法，光刺激电极利用金丝球焊法将微型LED裸芯片连接到柔性基底金属焊盘上，再透过光刺激电极上的开孔涂胶，实现和记录电极的粘合，达到光刺激和电记录一体化的目的。

根据本发明的一方面，提供一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件，所述的电极器件包括光刺激电极和记录电极，其中：

所述光刺激电极包含光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层和光刺激电极中间金电路层，在光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层上设有多个孔，这些孔分别用于微型LED裸芯片透光、穿过钢针、涂胶以固定光刺激电极和记录电极相对位置；微型LED裸芯片利用金丝球焊法连接到光刺激电极中间金电路层上；

所述记录电极包含记录电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层和记录电极中间金电路层，在记录电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层上也设有多个孔，这些孔位置与所述光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层上的孔位置对应，分别用于微型LED裸芯片透光、穿过钢针定位光刺激电极和记录电极；记录电极露出记录电极点的一面朝下并贴附弹性聚合物薄块；

钢针依次穿过光刺激电极顶层聚合物绝缘层、光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层上设置的孔，并扎入到聚合物薄块中，从而保证涂胶连接光刺激电极、记录电极时，光刺激电极、记录电极不会发生位移。

优选地，所述光刺激电极中：在光刺激电极底层聚合物绝缘层和顶层聚合物绝缘层上开有位置重叠的长方形孔、圆孔和方形孔，分别用来保证微型LED裸芯片透光、穿过钢针和涂胶固定光刺激电极和记录电极相对位置。

更优选地，在光刺激电极顶层聚合物绝缘层上的长方形孔上方设有凹槽，在该凹槽涂抹胶从而使微型LED裸芯片固定在光刺激电极上。

更优选地，在光刺激电极顶层聚合物绝缘层上还开有圆形孔，圆形孔下方露出中间金电路层作为金电路层焊盘，微型LED裸芯片的阴、阳极焊盘和金电路层焊盘通过金丝球焊连接，在金电路层焊盘上涂抹导电浆料确保导通；微型LED裸芯片、金丝和金电路层焊盘通过胶封装。

优选地，所述记录电极中：在记录电极底层聚合物绝缘层和顶层聚合物绝缘层上开有位置重叠的长方形孔和圆孔，长方形孔用于微型LED裸芯片透光；圆孔用于穿过钢针定位光刺激电极和记录电极。

更优选地，在记录电极顶层聚合物绝缘层上还开有圆形孔，圆形孔露出中间金电路层作为记录电极点；

记录电极露出记录电极点的一面朝下并贴附聚合物薄块，光刺激电极露出金电路层焊盘的一面朝上，钢针穿过光刺激电极和记录电极上相同位置的对称圆孔并扎入聚合物薄块，在光刺激电极上的方形孔涂胶实现光刺激电极和记录电极的连接固定。

优选地，所述的光刺激电极底层聚合物绝缘层和光刺激电极顶层聚合物绝缘层、所述的记录电极底层聚合物绝缘层和记录电极顶层聚合物绝缘层的材料均选用非光敏型或光敏型聚酰亚胺，或无色透明的聚对二甲苯。

优选地，所述的光刺激电极底层聚合物绝缘层和光刺激电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层和记录电极顶层聚合物绝缘层的厚度范围为2～25微米。

优选地，所述的光刺激电极顶层聚合物绝缘层、光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层形状轮廓相同，并且光刺激电极、记录电极上分别开有的用于穿过钢针的孔的大小相同。

根据本发明的另一方面，提供一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件的制备方法，所述方法独立制备光刺激电极和记录电极，然后将光刺激电极与记录电极粘合。

优选地，所述制备光刺激电极，包括如下步骤：

S1.1：制作光刺激电极底层聚合物绝缘层

在沉积金属牺牲层的硅片上，旋涂或沉积一层聚合物薄膜，经图形化得到光刺激电极底层聚合物绝缘层，在光刺激电极底层聚合物绝缘层的上面开有多个等间距长方形孔、多个对称圆孔和多个方形孔，其中：多个等间距长方形孔保证微型LED裸芯片发光透过，多个对称圆孔用于穿过钢针，多个方形孔用于涂胶固定光刺激电极和记录电极相对位置；

S1.2：制作光刺激电极中间金电路层

溅射一层金属粘附层和一层金，旋涂正性光刻胶作为掩膜，经过前烘、曝光、显影和后烘，采用离子束刻蚀或湿法刻蚀，得到图形化的光刺激电极中间金电路层；

S1.3：制作光刺激电极顶层聚合物绝缘层

在S1.2的光刺激电极中间金电路层上，采用与S1.1相同的操作，制作得到图形化的光刺激电极顶层聚合物绝缘层，在与S1.1的光刺激电极底层聚合物绝缘层的相同位置处开有相同形状的多个等间距长方形孔、对称圆孔和方形孔，并且开有多组圆形孔，圆形孔下方露出光刺激电极中间金电路层作为金电路层焊盘；

S1.4：制作凹槽

旋涂聚合物胶并图形化，在S1.3的光刺激电极顶层聚合物绝缘层上面的长方形孔周围形成凹槽；

S1.5：涂胶固定微型LED裸芯片

用细针头沾无色透明胶涂抹在凹槽内，将单个微型LED裸芯片夹起，微型LED裸芯片的阴、阳极金焊盘朝上放置在凹槽内，轻轻按压微型LED裸芯片顶部，以确保微型LED裸芯片位置水平，无色透明胶完全与微型LED裸芯片四周接触且不溢出覆盖微型LED裸芯片顶部，待无色透明胶固化完成单个微型LED裸芯片固定，其余微型LED裸芯片同理操作；

S1.6：金丝球焊法连接微型LED裸芯片与金电路层焊盘

在金丝球焊机上根据微型LED裸芯片阴、阳极金焊盘的大小，选择合适直径的金丝，连接微型LED裸芯片的阴、阳极焊盘和对应的光刺激电极顶层聚合物绝缘层圆形孔下方露出的金电路层焊盘，底层聚合物绝缘层为柔性衬底，金丝无法和金电路层焊盘牢靠连接，仅将金丝的第二键合点轻轻压在金电路层焊盘上；

S1.7：涂抹导电浆料保证导通

在金电路层焊盘上用毛细玻璃管涂抹少量导电浆料，确保金丝和金电路层焊盘牢靠连接；

S1.8：涂胶封装

在微型LED裸芯片、金电路层焊盘和金丝上方用细针头涂胶实现封装，保证光刺激电极释放后，微型LED裸芯片不会掉落，金线牢固可靠，同时导电浆料不发生反应；

S1.9：释放光刺激电极

通过电化学腐蚀或者稀酸腐蚀金属牺牲层，完成光刺激电极的释放。

优选地，所述制备记录电极，包括如下步骤：

所述制备记录电极，包括如下步骤：

S2.1：制作记录电极底层聚合物绝缘层

在沉积金属牺牲层的硅片上，旋涂或沉积一层聚合物薄膜，经图形化得到记录电极底层聚合物绝缘层，记录电极底层聚合物绝缘层上面开有多个等间距长方形孔、多个对称圆孔，其中：多个等间距长方形孔保证微型LED裸芯片发光透过，多个对称圆孔用于穿过钢针；

S2.2：制作记录电极中间金电路层

溅射一层金属粘附层和一层金，旋涂正性光刻胶作为掩膜，经过前烘、曝光、显影和后烘，采用离子束刻蚀或湿法刻蚀，得到图形化的记录电极中间金电路层；

S2.3：制作记录电极顶层聚合物绝缘层

在S2.2的记录电极中间金电路层上，采用与S2.1相同的操作，制作得到图形化的记录电极顶层聚合物绝缘层，在和S2.1的记录电极底层聚合物绝缘层相同位置处开有相同形状的等间距长方形孔、对称圆孔，并且开有多个圆形孔，圆形孔露出记录电极中间金电路层作为记录电极点；

S2.4：释放记录电极

通过电化学腐蚀或者稀酸腐蚀金属牺牲层，完成记录电极的释放。

优选地，所述将光刺激电极和记录电极粘合，包括如下步骤：

S3.1：制备表面平整、有弹性的聚合物薄块，将记录电极露出记录电极点的一面朝下，平整地贴附在聚合物薄块上；

S3.2：将光刺激电极露出金电路层焊盘的一面朝上，用钢针穿过光刺激电极和记录电极上相同位置处的对称圆孔，并扎入聚合物薄块中，轻轻按压光刺激电极和记录电极保证接触平整；

S3.3：在光刺激电极的方形孔位置处，涂胶固定光刺激电极和记录电极相对位置，待胶固化后即得到所述的LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件。

优选地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中：

所述的光刺激电极底层聚合物绝缘层和光刺激电极顶层聚合物绝缘层、所述的记录电极底层聚合物绝缘层和记录电极顶层聚合物绝缘层的材料均选用非光敏型或光敏型聚酰亚胺(Polyimide)，或无色透明的聚对二甲苯(Parylene C)，厚度范围为2～25微米；如Durimide7500系列光敏型聚酰亚胺分三种型号：Durimide7505、Durimide 7510和Durimide 7520，固化后单层薄膜厚度分别为2～5微米，4～15微米和11～25微米及以上，根据需要选用不同型号和厚度。

优选地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中；

所述的光刺激电极顶层聚合物绝缘层、光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层形状轮廓相同，并且光刺激电极、记录电极上分别开有的用于穿过钢针的2个对称圆孔的大小相同。

优选地，S1.1、S1.3和S2.1、S2.3中：

所述的3个等间距长方形孔的长度和宽度尺寸根据微型LED裸芯片的尺寸确定，且其尺寸比微型LED裸芯片的底部发光面尺寸大，从而使微型LED裸芯片安放在长方形孔孔位上时，微型LED裸芯片的底部发光面和沉积金属牺牲层的硅片接触，同时保证微型LED裸芯片的四周与长方形孔孔壁有间隙。

优选地，S1.2和S2.2中：

所述的金属粘附层的材料选用钛、铬、钛钨合金，其厚度为10～100纳米；金属粘附层用于分别提高金和光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层之间的结合力；

所述的金的厚度为200～500纳米。

优选地，S1.4中：

所述的凹槽的材料选用SU-8光刻胶或聚酰亚胺胶，需要和顶层聚合物绝缘层有较好的结合力；

所述的凹槽的壁厚为5～50微米，凹槽的内孔大小根据微型LED裸芯片阴、阳极金焊盘所在平面的尺寸大小确定，厚度根据微型LED裸芯片的高度与光刺激电极顶层聚合物绝缘层和光刺激电极底层聚合物绝缘层之和的差值确定；

所述的凹槽用于安放微型LED裸芯片和涂胶，以保证微型LED裸芯片位置的一致性。

优选地，S1.5中：

所述的无色透明胶涂抹在凹槽时需控制胶量，保证用镊子转移放置微型LED裸芯片并轻轻按压后，部分胶被挤压到微型LED裸芯片和光刺激电极顶层聚合物绝缘层的长方形孔壁之间、微型LED裸芯片和凹槽之间、微型LED裸芯片和凹槽上表面间的缝隙处，从而提高粘接强度，避免后续金丝球焊时金丝将微型LED裸芯片带起来；无色透明胶涂勿粘到微型LED裸芯片的阴、阳极焊盘上，避免影响金线球焊质量；

所述的无色透明胶选用耐高温瞬干胶，或耐高温紫外光固化胶(UV胶)，如有条件可使用点胶机，保证点胶量和点胶位置的均匀性。

更优选地，所述的微型LED裸芯片选用Cree公司的TR2227或TR2432系列，或根据实际需要选用其他公司或型号的LED产品；

所述的无色透明胶选用瞬干胶LOCTITE498或紫外光固化胶(UV胶)TOKOTITE-G15型号或其他合适类型，用于承受金丝球焊时较高的热台温度。

优选地，S1.6和S1.7中：

所述的金电路层焊盘尺寸大于100微米，以便于金丝球焊放置第二键合点和涂抹导电浆料；金丝球焊机劈刀将金丝压在金电路层焊盘上，金电路层焊盘下方的光刺激电极底层聚合物绝缘层会吸收超声能量，金丝在第二键合点尾端压痕处截断；如果第二键合点的金丝翘起，利用劈刀轻轻按压金丝末端使金丝变形贴近金电路层焊盘，再涂抹导电浆料，保证金丝和金电路层焊盘的连接；

所述的导电浆料选用导电银浆、铝浆、铜浆、镍浆。

优选地，S1.8中，所述的封装选用环氧树脂胶，或有机硅胶，或聚氨酯胶；其中：环氧树脂固化后硬度高；有机硅胶和聚氨酯胶固化后有弹性，对电极柔性影响更小。

优选地，S3.1中，所述的聚合物薄块选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚烯烃弹性体(POE)，乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，三元乙丙橡胶(EPDM)，聚合物薄块尺寸大于所述电极器件尺寸，并表面保证平整洁净。

优选地，S3.3中，所述的固定光刺激电极和记录电极相对位置选用环氧树脂胶，或有机硅胶，或聚氨酯胶。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明制备的光刺激电极和记录电极工艺通用，可根据小鼠或大鼠不同皮层区域的神经元分布制备不同样式器件；通过在绝缘层上开孔，LED发光直接照射脑组织，保证透光性，同时有效避免光与金属记录电极之间由于光电效应对记录结果造成影响；将微加工得到的柔性电极和商用微型LED裸芯片通过成熟可靠的金丝球焊法连接，降低了光电一体电极整体厚度，提高了电极在大脑皮层表面贴附时的保形性。

附图说明

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是本发明一实施例的整体结构爆炸图；

图2-是本发明一实施例的光刺激电极工艺流程图；

图3是本发明一实施例的记录电极工艺流程图；

图4是本发明一实施例的粘合工艺流程图，分别采用三维图进行展示；

图5中a、b分别是本发明一实施例的粘合后光刺激电极一侧向上和记录电极一侧向上的三维示意图和局部放大图；

图6中a、b分别是本发明一实施例的粘合后光刺激电极上微型LED裸芯片发光示意图和主波长470nm的微型LED裸芯片和ChR2光敏蛋白敏感光波段的相对强度曲线图；

图7是本发明一实施例的电极器件工作原理图；

图1中：钢针1，环氧树脂胶2，环氧树脂胶3，导电银浆4，金丝5，耐高温瞬干胶6，凹槽7，微型LED裸芯片8，光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9，光刺激电极中间金属层10，光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11，记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12，记录电极中间金属层13，记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层14，弹性聚合物薄块15。

具体实施方式

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。

如图1所示，一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件，包括光刺激电极和记录电极，其中：

所述光刺激电极包含光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层和光刺激电极中间金电路层，在光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层上设有多个孔，这些孔分别用于微型LED裸芯片透光、穿过钢针、涂胶以固定光刺激电极和记录电极相对位置；微型LED裸芯片利用金丝球焊法连接到光刺激电极中间金电路层上；

所述记录电极包含记录电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层和记录电极中间金电路层，在记录电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层上也设有多个孔，这些孔位置与所述光刺激电极底层聚合物绝缘层、光刺激电极顶层聚合物绝缘层上的孔位置对应，分别用于微型LED裸芯片透光、穿过钢针定位光刺激电极和记录电极；记录电极露出记录电极点的一面朝下并贴附弹性聚合物薄块；

钢针依次穿过光刺激电极顶层聚合物绝缘层、光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层上设置的孔，并扎入到聚合物薄块中，从而保证涂胶连接光刺激电极、记录电极时，光刺激电极、记录电极不会发生位移。

在本发明部分实施例中，所述的光刺激电极底层聚合物绝缘层和光刺激电极顶层聚合物绝缘层、所述的记录电极底层聚合物绝缘层和记录电极顶层聚合物绝缘层的材料均选用非光敏型或光敏型聚酰亚胺(Polyimide)，或无色透明的聚对二甲苯(Parylene C)，厚度范围为2～25微米；如Durimide7500系列光敏型聚酰亚胺分三种型号：Durimide7505、Durimide 7510和Durimide 7520，固化后单层薄膜厚度分别为2～5微米，4～15微米和11～25微米及以上，根据需要选用不同型号和厚度。

所述孔的数目和形状可以根据实际需要进行设定，以实现其功能为目的，在部分实施例中：

在光刺激电极底层聚合物绝缘层的上面开有3个等间距长方形孔、2个对称圆孔和4个方形孔，其中：3个等间距长方形孔保证微型LED裸芯片发光透过，2个对称圆孔用于穿过钢针，4个方形孔用于涂胶固定光刺激电极和记录电极相对位置。对应的，记录电极底层聚合物绝缘层上面开有3个等间距长方形孔、2个对称圆孔，其中：3个等间距长方形孔保证微型LED裸芯片发光透过，2个对称圆孔用于穿过钢针。

所述的光刺激电极顶层聚合物绝缘层、光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极顶层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层形状轮廓相同，并且光刺激电极、记录电极上分别开有的用于穿过钢针的2个对称圆孔的大小相同；

所述的3个等间距长方形孔的长度和宽度尺寸根据微型LED裸芯片的尺寸确定，且其尺寸比微型LED裸芯片的底部发光面尺寸大，从而使微型LED裸芯片安放在长方形孔孔位上时，微型LED裸芯片的底部发光面和沉积金属牺牲层的硅片接触，同时保证微型LED裸芯片的四周与长方形孔孔壁有间隙。

在本发明部分实施例中，所述的金属粘附层的材料选用钛、铬、钛钨合金，其厚度为10～100纳米；金属粘附层用于分别提高金和光刺激电极底层聚合物绝缘层、记录电极底层聚合物绝缘层之间的结合力；

所述的金的厚度为200～500纳米。

在本发明部分实施例中，所述的凹槽的材料选用SU-8光刻胶或聚酰亚胺胶，需要和顶层聚合物绝缘层有较好的结合力；

所述的凹槽的壁厚为5～50微米，凹槽的内孔大小根据微型LED裸芯片阴、阳极金焊盘所在平面的尺寸大小确定，厚度根据微型LED裸芯片的高度与光刺激电极顶层聚合物绝缘层和光刺激电极底层聚合物绝缘层之和的差值确定；

所述的凹槽用于安放微型LED裸芯片和涂胶，以保证微型LED裸芯片位置的一致性。

基于本发明上述说明，以下给出具体的实施例的详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件，由光刺激电极和记录电极组成；

所述光刺激电极，包含：光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9、光刺激电极中间金属层10、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11，其中：在光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11上面开有位置重叠的长方形孔、圆形孔和方形孔，分别用来保证微型LED裸芯片8透光、穿过钢针1和涂环氧树脂胶2固定光刺激电极和记录电极相对位置；在光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9上的长方形孔上方设有长方形凹槽7，微型LED裸芯片8的阴、阳极金焊盘朝上放置在凹槽7里，并在凹槽7里涂抹耐高温瞬干胶6以保证微型LED裸芯片8牢靠固定在光刺激电极上；光刺激电极中间金属层10的一端设有圆形焊盘、另一端设有四路长方形焊盘，其中一路作为公共电路与所有微型LED裸芯片8的阴极金焊盘连接；通过金丝5球焊连接微型LED裸芯片8的阴、阳极焊盘和和对应的光刺激电极中间金属层一端的圆形焊盘，并在圆形焊盘上涂抹导电银浆4使金丝5和圆形焊盘牢靠连接并确保导通；最后用环氧树脂胶3封装微型LED裸芯片8、金丝5和圆形焊盘；

所述记录电极，包含：记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12、记录电极中间金属层13、记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层14，其中：记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12、记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层14上面开有位置重叠的长方形孔和圆形孔，并与光刺激电极的光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11上的长方形孔和圆形孔位置重叠，用来分别保证微型LED裸芯片8透光和穿过钢针1定位光刺激电极和记录电极；最终在光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11上的方形孔涂环氧树脂胶2，实现光刺激电极与记录电极的连接固定。

本实施例中，所述光刺激电极中间金属层10用于给微型LED裸芯片8供电，其正向电压为2.7～3.4V。

本实施例中，所述微型LED裸芯片8发出主波长为470纳米蓝光，亮度随正向电流增加而增大，具体亮度可根据大脑皮层神经元信号发放需要的光强和脑组织可承受的温升来确定。

本实施例中，所述钢针1依次穿过光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11、记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12、记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层14上设置的位置重叠的圆形孔，并扎入到弹性聚合物薄块15中，从而保证涂环氧树脂胶2连接光刺激电极、记录电极的过程中，光刺激电极、记录电极不会发生位移。

实施例2

如图2-图4所示，本实施例提供一种LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件的制备方法，包括：

一、光刺激电极的制备按以下步骤进行：

1)如图2中a所示，在500微米厚硅片上溅射或热蒸发沉积一层500微米厚的铝作为牺牲层；

2)如图2中b所示，旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide 7510，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层，其厚度为10微米；在光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层上面开有三个长方形孔，三个长方形孔的尺寸均为210微米×260微米、中心距为500微米；在光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层上面开有两个圆形孔，两个圆形孔的直径均为300微米、中心距为1.5毫米；在光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层上面开有四个方形孔，四个方形孔的尺寸为300微米×300微米、中心距为1.5毫米；

3)如图2中c所示，溅射一层钛和一层金，厚度分别为30纳米和300纳米，旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用湿法刻蚀得到图形化的光刺激电极中间金属层；光刺激电极中间金属层的一端有三组圆形焊盘，每组包括两个圆，两个圆的直径均为200微米；光刺激电极中间金属层的另一端有四路长方形焊盘，其中一路作为公共电路用于连接所有微型LED裸芯片的阴极金焊盘；

4)如图2中d所示，制作得到图形化的光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层，厚度为10微米，在与光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层相同位置处开有一样大小的长方形孔、圆形孔和方孔，同时在光刺激电极中间金属层的圆形焊盘正上方开有三组圆形孔，每组包括两个圆，两个圆的直径均为160微米、间距为730微米；

5)如图2中e所示，旋涂30微米厚的SU-8胶，经过前烘、曝光、显影和后烘，在光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层上需要放置微型LED裸芯片的长方形孔的正上方形成三个宽度均为30微米的长方形凹槽，长方形凹槽内部尺寸均为240微米×290微米、中心距为500微米；

6)如图2中f所示，用细针头沾无色透明的耐高温瞬干胶涂抹在长方形凹槽内，如有条件可使用点胶机代替；

7)如图2中g所示，用镊子将单个微型LED裸芯片夹起，其阴、阳极金焊盘朝上放置在长方形凹槽内，轻轻按压微型LED裸芯片顶部以确保微型LED裸芯片位置水平，耐高温瞬干胶完全与微型LED裸芯片四周接触且不溢出覆盖顶部，等耐高温瞬干胶固化完成固定；其中：微型LED裸芯片的型号为Cree公司的TR2227、尺寸为220×270×50微米；微型LED裸芯片的阴、阳极金焊盘直径为80微米、间距为135微米；

8)如图2中h所示，在金丝球焊机上使用直径25微米的金丝连接微型LED裸芯片的阴、阳极金焊盘和对应的光刺激电极中间金属层一端的圆形焊盘，由于底层聚合物绝缘层为柔性衬底，金丝无法和圆形焊盘牢靠连接，这里仅将金丝的第二键合点轻轻压在圆形焊盘上；

9)如图2中i所示，在圆形焊盘上用毛细玻璃管涂抹少量导电银浆，确保金丝和圆形焊盘牢靠连接，尽量保证导电银浆在直径160微米的圆形焊盘范围内；

10)如图2中j所示，在微型LED裸芯片、圆形焊盘和金丝上方用细针头涂抹透明环氧树脂胶以实现封装，保证光刺激电极释放后微型LED裸芯片不会脱落、金线牢固可靠，同时导电银浆不会发生反应；

11)如图2中k所示，通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成光刺激电极释放，其中：

使用电化学腐蚀法，可以在高浓度NaCl溶液中将光刺激电极放到电解池阳极，电压0.7～1.0V，腐蚀铝牺牲层到光刺激电极自动脱落；

使用稀盐酸腐蚀法，可以按照浓盐酸：去离子水＝1：4腐蚀铝牺牲层到光刺激电极自动脱落。

二、记录电极的制备按以下步骤进行：

1)如图3中a所示，在500微米厚硅片上溅射或热蒸发沉积一层500微米厚的铝作为牺牲层；

2)如图3中b所示，旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide 7510，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的记录电极底层聚酰亚胺绝缘层，其厚度为15微米；在记录电极底层聚酰亚胺绝缘层上面开有三个长方形孔，三个长方形孔的尺寸均为190微米×240微米、中心距为500微米；在记录电极底层聚酰亚胺绝缘层上面开有两个圆形孔，两个圆形孔的直径均为300微米、间距为1.5毫米，记录电极底层聚酰亚胺绝缘层上长方形孔和圆形孔的位置与光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层、光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层上的长方形孔和圆孔相同；

3)如图3中c所示，溅射一层钛和一层金，厚度分别为30纳米和300纳米，旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用湿法刻蚀得到图形化的记录电极中间金属层，记录电极中间金属层的一端有四个圆形金记录点，四个圆形金记录点的直径均为150微米、中心距为500微米；

4)如图3中d所示，制作得到图形化的记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层，其厚度为5微米，在与记录电极底层聚酰亚胺绝缘层相同位置处开有一样大小的长方形孔和圆形孔，同时在记录电极中间金属层的圆形金记录点的正上方开有直径为100微米的同心圆；

5)如图3中e所示，通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成记录电极释放，释放方法同步骤一中的(11)。

三、光刺激电极和记录电极的粘合按以下步骤：

1)如图4中a所示，制备表面平整的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄块，其尺寸为2厘米×4厘米、厚度为5毫米，将记录电极露出电极点(即上述步骤二中3)的圆形金记录点)的一面朝下，平整地贴附在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄块上；

2)如图4中b所示，将光刺激电极露出金电路层焊盘的一面朝上，并用直径0.3毫米的钢针穿过光刺激电极和记录电极相同位置处的两个对称圆孔，扎入聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄块中，轻轻按压光刺激电极和记录电极以保证接触平整；

3)如图4中c所示，在光刺激电极的四个方形孔位置处，涂抹少量环氧树脂胶固定光刺激电极和记录电极相对位置；

4)如图4中d所示，等待环氧树脂胶干后，拔出钢针，将整个电极从聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄块上取下来，有微型LED裸芯片和记录电极点(即上述步骤二中3)的圆形金记录点)的一端粘合在一起，光刺激电极、记录电极另一端的长方形焊盘独立分开，可以分别给微型LED芯片供电和采集神经信号。

如图5中a、b所示，分别是本实施例粘合后光刺激电极一侧向上的三维示意图和局部放大图、记录电极一侧向上的三维示意图和局部放大图，从三维示意图可以清晰直观地看出制备完成的整个电极外观，局部放大图展示了其贴附在大脑皮层一端的外观尺寸为2×2毫米，满足在小鼠或大鼠大脑皮层上选择特定区域并贴附使用；另外，微型LED裸芯片中心距为500微米，记录电极点(即上述步骤二中3)的圆形金记录点)直径为100微米，中心距为500微米，还可以根据实际刺激和记录需要，更改微型LED裸芯片中心距、记录电极点大小和中心距、微型LED裸芯片和记录电极点相对位置，以及微型LED裸芯片和记录电极点数目。

如图6中a、b所示，分别是本实施例粘合后光刺激电极上微型LED裸芯片发光示意图和主波长470nm的微型LED裸芯片和ChR2光敏蛋白敏感光波段的相对强度曲线图，微型LED裸芯片的峰值波长和ChR2光敏蛋白敏感光峰值波长接近，相对强度曲线有重叠，说明微型LED裸芯片发出的光满足引发ChR2光敏蛋白离子通道打开、产生电脉冲所需要的波长。

如图7所示，为本实施例集成LED光刺激和电记录的柔性神经电极器件工作原理图，整个电极直接贴附在大鼠大脑皮层表面，通过给微型LED裸芯片阵列供电，微型LED裸芯片背面发出的蓝光通过长方形孔直接照射到需要刺激的大脑区域，诱发ChR2基因转染小鼠或大鼠神经元细胞产生电脉冲，并通过记录电极同步采集电信号。

本实施例采用成熟可靠的金丝球焊法连接满足刺激神经元尺度的微型LED裸芯片和光刺激电极与记录电极，光刺激电极和记录电极采用具有良好柔性和强度、耐高温、良好生物相容性的聚酰亚胺材料，有效结合了微加工技术，工艺简单；光可以不经过其他材料阻挡直接照射到需要刺激的区域，刺激效果好、性能可靠；光刺激电极和记录电极的结合，缔造了光刺激-电记录一体的神经电极，为脑科学研究提供了一种新型神经电极工具。

实施例3

本实施例提供一种与实施例1类似的LED光刺激和电记录集成的柔性神经电极器件的制备方法，包括：

一、光刺激电极的制备按以下步骤进行：

1)在500微米厚硅片上热蒸发一层1.0毫米厚的铝作为牺牲层；

2)旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide 7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的光刺激电极底层聚合物绝缘层11，其厚度为5微米；在光刺激电极底层聚合物绝缘层11上面开有3个长方形孔，长方形孔的尺寸为190微米×270微米、中心距为700微米；在光刺激电极底层聚合物绝缘层11上面开有2个圆形孔，圆形孔的直径为200微米、中心距为1.5毫米；在光刺激电极底层聚合物绝缘层11上面开有4个方形孔，方形孔的尺寸为300微米×300微米、中心距为1.5毫米；

3)溅射一层铬和一层金，厚度分别为20纳米和300纳米；旋涂10微米厚正性光刻胶AZ4620；经过前烘、光刻、显影和后烘，采用离子束刻蚀得到图形化的光刺激电极中间金属层10；光刺激电极中间金属层10的一端设有三组圆形焊盘，每组包括两个圆，圆直径为250微米；光刺激电极中间金属层10的另一端设有四路长方形焊盘，其中一路作为公共电路，用于连接所有微型LED裸芯片8阴极金焊盘；

4)制作得到图形化的光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9，其厚度为5微米，在与光刺激电极底层聚酰亚胺绝缘层11相同位置处开有一样大小的长方形孔、圆形孔和方孔，同时在光刺激电极中间金属层10的圆形焊盘正上方开有三组圆形孔，每组包括2个圆，圆的直径为200微米、间距为800微米；

5)旋涂100微米厚的SU-8胶，经过前烘、曝光、显影和后烘，在光刺激电极顶层聚酰亚胺绝缘层9上需要放置微型LED裸芯片8的长方形孔的正上方，形成宽度为20微米的长方形凹槽7，长方形凹槽7内部尺寸为260微米×340微米，3个凹槽中心距为700微米；

6)用细针头沾耐高温紫外光固化胶(UV胶)涂抹在凹槽7内，如有条件可使用点胶机代替；

7)用镊子将单个微型LED裸芯片8夹起，其阴、阳极金焊盘朝上放置在凹槽7内，轻轻按压微型LED裸芯片8顶部，用紫外线固化灯照射涂胶区域使耐高温紫外光固化胶固化，其中：微型LED裸芯片8型号为Cree公司的TR2432，尺寸为240×320×115微米；阴、阳极金焊盘的直径为90微米、间距为135微米；

8)在金丝球焊机上使用直径25微米的金丝5连接微型LED裸芯片8的阴、阳极金焊盘与对应的光刺激电极中间金属层10一端的圆形焊盘，仅将金丝5的第二键合点轻轻压在圆形焊盘上；

9)在圆形焊盘上用毛细玻璃管涂抹少量导电银浆4，确保金丝5和圆形焊盘牢靠连接，尽量保证导电银浆4在直径200微米的圆形焊盘范围内；

10)在微型LED裸芯片8、圆形焊盘和金丝5上方用细针头涂抹透明有机硅胶，实现封装；

11)通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成光刺激电极释放。

二、记录电极的制备按以下步骤进行：

1)在500微米厚硅片上热蒸发一层1.0毫米厚的铝作为牺牲层；

2)旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide 7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12，其厚度为3微米；在记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12的上面开有3个长方形孔，长方形孔的尺寸为140微米×220微米、中心距为700微米；在记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12上面开有2个圆形孔，圆形孔的直径200微米、间距为1.5毫米；记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12上的长方形孔和圆形孔位置和光刺激电极上的长方形孔和圆形孔相同；

3)溅射一层钛钨合金和一层金，厚度分别为20纳米和300纳米；旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用离子束刻蚀得到图形化的记录电极中间金属层13，记录电极中间金属层13的一端有4个圆形金记录点，圆形金记录点的直径为250微米、中心距为700微米；

4)制作得到图形化的记录电极顶层聚酰亚胺绝缘层14，其厚度为3微米，并在与记录电极底层聚酰亚胺绝缘层12相同位置处开有一样大小的长方形孔和圆形孔，同时在记录电极中间金电路层13的圆形金记录点正上方开有直径为200微米的同心圆；

5)通过电化学腐蚀或者稀盐酸腐蚀铝牺牲层，完成记录电极释放。

三、光刺激电极与记录电极的粘合：

光刺激电极与记录电极的粘合过程同实施例1所述。

本发明可以进一步在电极制备完成后，对记录电极的电极点进行表面改性，降低阻抗，提高信噪比，如超声电镀铂黑，电镀氧化铱或电镀PEDOT/氧化石墨烯等，这部分内容将不在本发明中详述。

本发明两类电极制备工艺通用，LED和脑组织直接接触，保证透光性，同时有效避免光与记录电极之间由于光电效应对记录结果造成影响；电极厚度小，保证贴附大脑皮层具有保形性；满足急性实验和长期埋植实验需求，适用脑科学研究。

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。