一种柔性神经电极封装结构、制备方法及设备与流程

1.本发明涉及脑机接口技术领域，特别涉及一种柔性神经电极封装结构、制备方法及设备。


背景技术：

2.脑机接口是指将大脑与外部设备相连以实现信息交互的技术，对探索脑科学和脑疾病的诊治有重要的研究意义。神经电极是脑机接口的核心组成部分，可分为侵入式和非侵入式两种类型。对比非侵入式神经电极(如头戴式脑电帽)通过大脑头皮间接获取微弱脑电信号，侵入式电极直接与神经组织接触，可获取高精度高灵敏度的神经元信息，引起了研究人员的广泛关注。
3.侵入式神经电极可根据材料细分为刚性电极和柔性电极。其中，刚性电极中最具代表性的为犹他电极。基于成熟的微机电加工工艺，可制备出高密度的三维阵列化电极。然而，刚性电极因其机械强度与大脑组织不匹配，易造成大脑的损伤、诱发炎症反应，不适用于长期植入。柔性神经电极具有良好的生物相容性，被认为是未来侵入式神经电极的发展方向。然而，目前柔性电极的发展受限于较低的集成度。尤其是由于柔性电极的加工依靠平面的加工工艺，神经电极上的电极位点仅具备一维分布或二维分布，无法实现高密度三维空间分辨的神经信号采集。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是现有的柔性神经电极多采用平面阵列而带来的空间分辨不足的问题。
5.为解决上述技术问题，第一方面，本技术实施例公开了一种柔性神经电极封装结构，包括：
6.至少两个堆叠设置的平面柔性神经电极阵列；
7.所述平面柔性神经电极阵列包括基底和封装基板；所述基底的正面与所述封装基板的正面连接；
8.所述封装基板在水平面上的投影与所述基底在水平面上的投影至少部分不重合；
9.所述封装基板的反面至少部分边沿与另一个所述封装基板的正面至少部分边沿连接。
10.进一步的，所述封装基板的边沿设置有贯穿所述封装基板的焊接点；
11.一个所述封装基板中的所述焊接点，与另一个所述封装基板中的所述焊接点通过焊接连接。
12.进一步的，一个所述封装基板与另一个所述封装基板中通过胶粘连接。
13.第二方面，本技术实施例公开了一种柔性神经电极封装结构，包括：
14.至少两个堆叠设置的平面柔性神经电极阵列；
15.所述平面柔性神经电极阵列包括基底和封装基板；所述基底的正面与所述封装基
板的正面连接；
16.所述封装基板的反面与另一个所述平面柔性神经电极阵列中的所述基底的反面连接。
17.进一步的，所述封装基板的反面与另一个所述平面柔性神经电极阵列中的所述基底的反面通过胶粘连接。
18.第三方面，本技术实施例公开了一种柔性神经电极封装结构的制备方法，包括：
19.获取第一平面柔性神经电极阵列；所述第一平面柔性神经电极阵列包括第一基底和第一封装基板，所述第一封装基板的正面与所述第一基底的正面连接；
20.获取第二平面柔性神经电极阵列；所述第二平面柔性神经电极阵列包括第二基底和第二封装基板，所述第二封装基板的正面与所述第二基底的正面连接；
21.将所述第一平面柔性神经电极阵列与所述第二平面柔性神经电极阵列堆叠连接；其中，所述第一封装基板的反面至少部分边沿与所述第二封装基板的正面至少部分边沿连接；或，所述第一封装基板的反面与所述第二基底的反面连接。
22.进一步的，所述将所述第一平面柔性神经电极阵列与所述第二平面柔性神经电极阵列堆叠连接之后，还包括：
23.在所述第二基底的反面上堆叠连接预设数量的所述第二平面柔性神经电极阵列。
24.第四方面，本技术实施例公开了一种柔性神经电极封装结构的制备方法，包括：
25.获取第一平面柔性神经电极阵列；所述第一平面柔性神经电极阵列包括第一基底和第一封装基板，所述第一封装基板的正面与所述第一基底的正面连接；
26.在所述第一基底的反面上制备第二平面柔性神经电极阵列；所述第二平面柔性神经电极阵列包括第二基底和第二封装基板，所述第二封装基板的正面与所述第二基底的正面连接；所述第一封装基板的反面至少部分边沿与所述第二封装基板的正面至少部分边沿连接；或，所述第二封装基板的反面与所述第一基底的反面连接。
27.进一步的，所述在所述第一基底的反面上制备第二平面柔性神经电极阵列之后，还包括：
28.在所述第二基底的反面上制备预设数量的所述第二平面柔性神经电极阵列。
29.第五方面，本技术实施例公开了一种电子设备，包括如上所述的柔性神经电极封装结构。
30.采用上述技术方案，本技术实施例所述的柔性神经电极封装结构、制备方法及设备具有如下有益效果：
31.该柔性神经电极封装结构，将平面的柔性神经电极进行集成，实现了大面积覆盖的3d堆叠封装柔性神经电极阵列。将二维的柔性神经电极阵列通过三维封装集成的方式，得到一体化3d柔性神经电极阵列，可用于实现对大脑区域高密度高空间分辨的神经信号采集。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。
33.图1为本技术实施例提供的一种柔性神经电极封装结构的示意图；
34.图2为本技术实施例提供的一种平面柔性神经电极阵列的结构示意图；
35.图3为本技术实施例提供的一种基底的结构示意图；
36.图4为本技术实施例提供的一种封装基板的结构示意图；
37.图5为本技术实施例提供的一种两个平面柔性神经电极阵列堆叠结构示意图；
38.图6为本技术实施例提供的一种柔性神经电极封装结构的制备方法的流程示意图；
39.图7为本技术实施例提供的另一种柔性神经电极封装结构的制备方法的流程示意图。
40.以下对附图作补充说明：
41.1-基底；110-支撑衬底；120-柔性神经电极层；121-焊盘部；122-柔性探针部；2-封装基板。
具体实施方式
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
44.现有的柔性神经电极一般具有一个至多个柔性探针，其结构多是平面上的二维结构。这种电极结构难以实现高密度三维空间分辨的神经信号采集。有鉴于此，本技术实施例提供了一种柔性神经电极封装结构，通过将二维的柔性神经电极进行立体封装，从而获得可实现大面积覆盖的3d堆叠封装柔性神经电极阵列。
45.本技术实施例公开了一种柔性神经电极封装结构，图1为本技术实施例提供的一种柔性神经电极封装结构的示意图，如图1所示，包括：至少两个堆叠设置的平面柔性神经电极阵列。
46.图2为本技术实施例提供的一种平面柔性神经电极阵列的结构示意图，如图2所示，平面柔性神经电极阵列包括基底1和封装基板2。基底1的正面与封装基板2的正面连接。
47.图3为本技术实施例提供的一种基底1的结构示意图，如图3所示，基底1包括支撑
衬底110和设置在支撑衬底110上的柔性神经电极层120。可选的，支撑衬底110可以是硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、玻璃、红宝石、蓝宝石等材质的衬底。柔性神经电极层120包括与支撑衬底110连接的焊盘部121和柔性探针部122。柔性探针部122可以包括一个至多个柔性探针。柔性探针的一端与焊盘部121连接。柔性探针包括多个电极点，柔性探针用于植入大脑中，采集神经元信号。柔性探针包括柔性支撑层和金属电极，金属电极设置在柔性支撑层内。柔性支撑层上设置有电极孔，金属电极通过电极孔露出柔性支撑层形成电极点。可选的，柔性支撑层的材质为聚亚酰胺、su8光刻胶等。焊盘部121上设置有与电极点一一对应的焊点。
48.图4为本技术实施例提供的一种封装基板2的结构示意图，如图4所示，封装基板2包括盖板和设置在盖板上的焊点。焊点设置在盖板的正面上。可选的，封装基板2的材质可以是有机聚合物材料。如双马来酰亚胺三嗪(bismaleimide triazine，bt)树脂。bt树脂可分为ccl-h810、ccl-h870、ccl-hl870、ccl-hl950等几种。bt树脂的介电常数在3.5-4.51mhz之间，介电损耗为0.001-0.0051mhz，玻璃转化温度为180℃-230℃。焊点在盖板上的分部方式与基底1中的焊点分部方式相同，且二者一一对应。封装基板2与基底1连接时，封装基板2中的焊点与基底1中的焊点一一对应连接。
49.本技术实施例中，柔性神经电极封装结构包括两个至多个平面柔性神经电极阵列。两个至多个平面柔性神经电极阵列依次层叠连接。为方便描述平面柔性神经电极阵列之间的连接方式，以下以柔性神经电极封装结构包括两个平面柔性神经电极阵列为例对平面柔性神经电极阵列之间的连接方式进行描述。本领域技术人员根据两个平面柔性神经电极阵列之间的连接方式可以在不付出创造性劳动的前提下，可以获知柔性神经电极封装结构包括多个平面柔性神经电极阵列时平面柔性神经电极阵列之间的连接方式。
50.本技术实施例中，柔性神经电极封装结构包括第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列。第一平面柔性神经阵列包括第一基底和第一封装基板。第二平面柔性神经阵列包括第二基底和第二封装基板。
51.作为一种可选的实施方式，图5为本技术实施例提供的一种两个平面柔性神经电极阵列堆叠结构示意图，如图5所示，第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列堆叠设置，第一封装基板与第二封装基板连接。该实施方式中，封装基板2在水平面上的投影与基底1在水平面上的投影至少部分不重合。即封装基板2的轮廓大于基底1的轮廓，如此第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列堆叠后，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿对应，且两者之间不存在其他结构隔离。第一封装基板的反面至少部分边沿与第二封装基板的正面至少部分边沿连接。可选的，第一封装基板与第二封装基板通过焊接的方式连接。具体的，第一封装基板的边沿设置有贯穿封装基板2的焊接点，第二封装基板的边沿相同位置同样设置有贯穿封装基板2的焊接点，第一封装基板中的焊接点与第二封装基板中的焊接点通过焊接连接。可选的，第一封装基板和第二封装基板还可以通过胶粘的方式连接。具体的，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿可以直接通过胶粘连接，也可以通过设置连接件将第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿连接起来。
52.作为另一种可选的实施方式，第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列堆叠设置，第一封装基板与第二基底相连接。该实施方式中，第一封装基板的反面与
第二基底的反面连接。可选的，第一封装基板的反面与第二基底的反面通过胶粘连接。
53.本技术实施例所述柔性神经电极封装结构，将二维的柔性电极阵列通过三维封装集成的方式，得到一体化3d柔性电极阵列，可用于实现对大脑区域高密度高空间分辨的神经信号采集，从而提升神经信号检测的维度，可有效获取更大范围的神经信号，为高通量神经信号编解码、解析大脑信息提供可靠方法。
54.本技术实施例还提供了一种柔性神经电极封装结构的制备方法，该制备方法中，采用直接获取多个平面柔性神经电极阵列，然后将多个平面柔性神经电极阵列逐个连接在一起的方式，得到柔性神经电极封装结构。具体的，图6为本技术实施例提供的一种柔性神经电极封装结构的制备方法的流程示意图，如图6所示，包括：
55.s601：获取第一平面柔性神经电极阵列。
56.本技术实施例中，第一平面柔性神经电极阵列包括第一基底和第一封装基板。第一基底包括第一支撑衬底110和设置在第一支撑衬底110上的柔性神经电极层120。柔性神经电极层120包括与支撑衬底110连接的焊盘部121和柔性探针部122。焊盘部121的背面与第一支撑衬底110连接，焊盘部121的正面上设置有焊点，第一封装基板的正面设置有与焊盘部121上的焊点相对应的焊点。第一封装基板上的焊点与焊盘部121上的焊点焊接连接。
57.本技术实施例中，平面柔性神经电极阵列可以通过以下方法制备得到：在支撑衬底110上制备一层与大脑组织机械性能匹配的柔性聚合物衬底，通过光刻、金属溅射、金属蒸镀等工艺在柔性聚合物衬底制备图像化的金属导电层，图形化的金属导电层包括微电极点、导线和后端的焊盘，每一个微电极点与后端的焊盘中的焊点一一对应，通过金属导线连接。然后在金属导电层上再制备一层柔性聚合物衬底。通过释放器件前端柔性探针部122分，完成柔性神经电极层120的制备。选用聚合物材料制备封装基板2，封装基板2上设置有焊盘，该焊盘与柔性神经电极层120中的焊盘分布及大小完全相同，用于实现封装基板2与柔性神经电极层120的互连。在封装基板2上通过激光植球的方式植上匹配焊盘大小的微型焊球。通过倒装焊工艺，将柔性神经电极层120中的焊盘与封装基板2上的微型焊球相连，完成单个平面柔性神经电极阵列的封装。
58.s603：获取第二平面柔性神经电极阵列。
59.本技术实施例中，第二平面柔性神经电极阵列包括第二基底和第二封装基板。第二基底包括第二支撑衬底110和设置在第二支撑衬底110上的柔性神经电极层120。柔性神经电极层120包括与支撑衬底110连接的焊盘部121和柔性探针部122。焊盘部121的背面与第二支撑衬底110连接，焊盘部121的正面上设置有焊点，第二封装基板的正面设置有与焊盘部121上的焊点相对应的焊点。第二封装基板上的焊点与焊盘部121上的焊点焊接连接。
60.本技术实施例中，第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列均可以通过上述方法方法制备得到。
61.s605：将第一平面柔性神经电极阵列与第二平面柔性神经电极阵列堆叠连接。
62.本技术实施例中，将第一平面柔性神经电极阵列与第二平面柔性神经电极阵列堆叠连接时，在一个可选的实施方式中，第一封装基板的反面至少部分边沿与第二封装基板的正面至少部分边沿连接。该实施方式中，在制备平面柔性神经电极阵列中的封装基板2时，封装基板2的面积要大于制备完成后的支撑衬底110的面积。如此第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列堆叠后，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿
对应，且两者之间不存在其他结构隔离。该实施方式中，第一封装基板与第二封装基板通过焊接的方式连接。具体的，在制备封装基板2时，在封装基板2的边沿制备出贯穿封装基板2的焊接点。如此，第一封装基板边沿的焊接点与第二封装基板边沿的焊接点通过焊接连接。该实施方式中，第一封装基板和第二封装基板还可以通过胶粘的方式连接。具体的，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿可以直接通过胶粘连接，也可以通过设置连接件将第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿连接起来。在另一个可选的实施方式中，第一封装基板的反面与第二基底的反面连接。可选的，第一封装基板的反面与第二基底的反面通过胶粘连接。
63.本技术实施例中，柔性神经电极封装结构包括两个至多个平面柔性神经电极阵列。当柔性神经电极封装结构包括多个平面柔性神经电极阵列时，在第一平面柔性神经电极阵列和第二平面柔性神经电极阵列连接完成后，还可以在第二平面柔性神经电极阵列连接更多的平面柔性神经电极阵列。具体的，第一平面柔性神经电极阵列与第二平面柔性神经电极阵列堆叠连接之后还包括：在第二基底的反面上堆叠连接预设数量的第二平面柔性神经电极阵列。
64.本技术实施例还提供了一种柔性神经电极封装结构的制备方法，该制备方法中，采用在第一平面柔性神经电极阵列依次制备出多个平面柔性神经电极阵列的方式，得到柔性神经电极封装结构。具体的，图7为本技术实施例提供的另一种柔性神经电极封装结构的制备方法的流程示意图，如图7所示，包括：
65.s701：获取第一平面柔性神经电极阵列。
66.本技术实施例中，第一平面柔性神经电极阵列包括第一基底和第一封装基板。第一基底包括第一支撑衬底110和设置在第一支撑衬底110上的柔性神经电极层120。柔性神经电极层120包括与支撑衬底110连接的焊盘部121和柔性探针部122。焊盘部121的背面与第一支撑衬底110连接，焊盘部121的正面上设置有焊点，第一封装基板的正面设置有与焊盘部121上的焊点相对应的焊点。第一封装基板上的焊点与焊盘部121上的焊点焊接连接。
67.本技术实施例中，平面柔性神经电极阵列可以通过以下方法制备得到：在支撑衬底110上制备一层与大脑组织机械性能匹配的柔性聚合物衬底，通过光刻、金属溅射、金属蒸镀等工艺在柔性聚合物衬底制备图像化的金属导电层，图形化的金属导电层包括微电极点、导线和后端的焊盘，每一个微电极点与后端的焊盘中的焊点一一对应，通过金属导线连接。然后在金属导电层上再制备一层柔性聚合物衬底。通过释放器件前端柔性探针部122分，完成柔性神经电极层120的制备。选用聚合物材料制备封装基板2，封装基板2上设置有焊盘，该焊盘与柔性神经电极层120中的焊盘分布及大小完全相同，用于实现封装基板2与柔性神经电极层120的互连。在封装基板2上通过激光植球的方式植上匹配焊盘大小的微型焊球。通过倒装焊工艺，将柔性神经电极层120中的焊盘与封装基板2上的微型焊球相连，完成单个平面柔性神经电极阵列的封装。
68.s703：在第一基底的反面上制备第二平面柔性神经电极阵列。
69.本技术实施例中，在第一基底的反面上制备第二平面柔性神经电极阵列时，首先在第一基底的反面上制备第二封装基板。在一个可选的实施方式中，第一封装基板的反面至少部分边沿与第二封装基板的正面至少部分边沿连接。该实施方式中，在制备第一平面柔性神经电极阵列中的第一封装基板时，第一封装基板的面积要大于制备完成后的第一支
撑衬底110的面积。在第一支撑衬底110的反面上制备第二封装基板时，第二封装基板的面积要大于第一支撑衬底110的面积，如此，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿对应，且两者之间不存在其他结构隔离。该实施方式中，第一封装基板与第二封装基板通过焊接的方式连接。具体的，在制备封装基板2时，在封装基板2的边沿制备出贯穿封装基板2的焊接点。如此，第一封装基板边沿的焊接点与第二封装基板边沿的焊接点通过焊接连接。该实施方式中，第一封装基板和第二封装基板还可以通过胶粘的方式连接。具体的，第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿可以直接通过胶粘连接，也可以通过设置连接件将第一封装基板的边沿与第二封装基板的边沿连接起来。在另一个可选的实施方式中，第一封装基板的反面与第二基底的反面连接。可选的，第二封装基板的反面与第一支撑衬底110的反面通过胶粘连接。
70.本技术实施例中，柔性神经电极封装结构包括两个至多个平面柔性神经电极阵列。当柔性神经电极封装结构包括多个平面柔性神经电极阵列时，在第一平面柔性神经电极阵列制备第二平面柔性神经电极阵列完成后，还可以在第二平面柔性神经电极阵列制备更多的平面柔性神经电极阵列。具体的，在第一基底的反面上制备第二平面柔性神经电极阵列之后，还包括：在第二基底的反面上制备预设数量的第二平面柔性神经电极阵列。
71.本技术实施例提供了一种电子设备，包括如上所述的柔性神经电极封装结构。
72.本技术实施例中，该电子设备可包括但不限于为植入式神经刺激器、植入式神经记录器、植入式刺激-记录器等。具体地，以脑部器官为例，该电子设备具体可为脑神经刺激器、脑神经记录器、脑神经刺激-记录器等。
73.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。