微電極陣列植入式芯片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微電極陣列植入式芯片及其制備方法。該微電極陣列植入式芯片包括：基底，其前端呈針狀，向后逐漸增寬；測試電極層，形成于基底上，包括：至少一種的微電極陣列；絕緣層，形成于除微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上；以及參比電極層，形成于絕緣層上，與測試電極層的微電極陣列相互錯開，包括與至少一種微電極陣列相對應的參比電極。本發(fā)明中，參比電極與測試電極分布在不同平面上，從而節(jié)約了芯片面積，方便進行植入式操作。
【專利說明】微電極陣列植入式芯片及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,簡稱MEMS)芯片【技術領域】，尤其涉及一種微電極陣列植入式芯片及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在神經(jīng)工程系統(tǒng)中，神經(jīng)電極作為神經(jīng)和電子的接口，它的主要功能是記錄神經(jīng)電生理信號和神經(jīng)遞質(zhì)電化學信號，進行分析以研究神經(jīng)系統(tǒng)的工作機理。目前，基于微機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)技術的植入式微電極已經(jīng)在設計、材料、加工工藝和相關支撐技術方面得到了迅速發(fā)展，國內(nèi)外出現(xiàn)了一些采用各種材料和工藝制備而成的微電極陣列芯片，可實現(xiàn)群體神經(jīng)細胞電生理活動的同步檢測。
[0003]在檢測電化學信號時，發(fā)生的總化學反應是由兩個獨立的半反應構成的，每一個半反應與相應電極上的界面電勢差相對應，大多數(shù)情況下我們只對其中一個反應感興趣，該反應發(fā)生的電極稱為工作電極。為了集中研究工作電極，必須將另一半反應標準化，就是使用由一個組分恒定的相構成的電極，即參比電極。
[0004]圖1A為現(xiàn)有技術微電極陣列植入式芯片的平面示意圖。圖1B為圖1A所示微電極陣列植入式芯片前端的放大示意圖。如圖1A和圖1B所示的植入式電極中，只有微電極陣列，沒有集成參比電極，導致記錄信號時需另外植入?yún)⒈入姌O，對植入操作造成不便，也影響信號。此外，在測量電化學信號時，沒有對微電極陣列進行差分設計，除了各種噪聲干擾外，一些不感興趣的遞質(zhì)分子也會在電極上反應，從而導致測試結果不準確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種微電極陣列植入式芯片及其制
備方法。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種微電極陣列植入式芯片。該微電極陣列植入式芯片包括:基底，其前端呈針狀，向后逐漸增寬；測試電極層，形成于基底上，包括:至少一種的微電極陣列；絕緣層，形成于除微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上；以及參比電極層，形成于絕緣層上，與測試電極層的微電極陣列相互錯開，包括與至少一種微電極陣列相對應的參比電極。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種上述微電極陣列植入式芯片的制備方法。該制備方法包括:在基底上形成測試電極層，該測試電極層包括至少一種的微電極陣列；在除微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上形成絕緣層；在絕緣層上形成與測試電極層的微電極陣列相互錯開的參比電極層，該參比電極層包括與至少一種微電極陣列相對應的參比電極；將基底刻蝕為針形。[0010](三)有益效果[0011]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明微電極陣列植入式芯片及其制備方法具有以下有益效果:
[0012](I)參比電極與測試電極分布在不同平面上，從而節(jié)約了芯片面積，方便進行植入式操作；
[0013](2)在同一芯片上同時集成了電化學測試電極和電生理測試電極，實現(xiàn)了電生理和電化學信號的同步檢測；
[0014](3)電化學微電極陣列中的電化學檢測位點可分為兩組(每組兩個)，在其中一組位點修飾復合敏感膜材料，另一組不做修飾，檢測時將兩組信號差分，可有效排除噪聲、干擾物質(zhì)的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1A為現(xiàn)有技術微電極陣列植入式芯片的平面示意圖；
[0016]圖1B為圖1A所示微電極陣列植入式芯片前端的放大示意圖
[0017]圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的微電極陣列植入式芯片的平面示意圖；
[0018]圖3為圖2所示微電極陣列植入式芯片中測試電極層尖端的局部放大圖；
[0019]圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的微電極陣列植入式芯片制備方法的流程圖；
[0020]圖5為按照圖4所示方法制備微電極陣列植入式芯片過程中各步驟之后的剖面示意圖。
[0021]【主要元件符號說明】
[0022]1-電化學微電極陣列；2-電生理微電極陣列；
[0023]3-對電極；4-電化學參比電極；
[0024]5-電生理參比電極；6-引線組；
[0025]7-焊盤組；8-硅針基底。
【具體實施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0027]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0028]本發(fā)明提供了一種超細差分型多參比神經(jīng)檢測微電極陣列植入式芯片及其制備方法。該芯片含有多個通道，將在體多通道神經(jīng)電生理檢測、神經(jīng)遞質(zhì)檢測的功能集成一體，且包含了對電極、電生理參比電極、電化學參比電極，微電極陣列的電極排列設計具有差分功能。
[0029]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種微電極陣列植入式芯片。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的微電極陣列植入式芯片的平面示意圖。請參照圖2，該微電極陣列植入式芯片自上而下包括:硅針基底、測試電極層、絕緣層和參比電極層。其中:
[0030]硅針基底為整個芯片的載體，厚度30 μ m。其前段呈針狀，尖端為60度角，向后逐漸增寬，最寬處356 μ m。如圖2所示，該硅針基底為單針形，當然其也可設計為多針型，其前端呈平行排列、等長的幾根針狀分支。
[0031]本實施例中，基底采用絕緣娃(Silicon-On-1nsulator,簡稱SOI),當然也可以選取其他半導體材料，例如:單晶硅、摻雜硅、或硼擴散硅等等。
[0032]在測試電極層分布有:電化學微電極陣列1、電生理微電極陣列2。電化學微電極陣列I用于神經(jīng)遞質(zhì)檢測。電生理微電極陣列2可用于電生理檢測或施加電刺激。
[0033]圖3為圖2所示微電極陣列植入式芯片中測試電極層尖端的局部放大圖。如圖3所示，電化學微電極陣列I分布著4個15Χ333μπι的方形電極，分成相對的兩組，每組中2個電極的距離為30μπι，兩組之間的距離是150μπι。這樣的差分設計可實現(xiàn)遞質(zhì)的特異性檢測。例如，在檢測谷氨酸時，一組電化學微電極上修飾谷氨酸氧化酶，可以與谷氨酸反應，同時也會有其他遞質(zhì)的響應，另一組不做修飾，將不與谷氨酸反應，但也會有其他遞質(zhì)的響應，將這兩組信號差分就得到 谷氨酸的濃度信號。電生理微電極陣列2包含12個直徑為20μπι的圓形電極。為節(jié)省空間，在兩組方形電極中間均勻分布了 2個圓形電極，其余10個圓形電極沿直線排列，間距為80 μ m。
[0034]參比電極層通過絕緣層與測試電極層隔開。距離電極尖端最遠的電生理微電極300 μ m處，分別有對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5，此三電極尺寸分別為200 X 267 μ m、200 X 278 μ m、200 X 294 μ m。在進行雙模檢測中這三個參比電極可分別作為對電極、電化學參比電極、電生理參比電極。
[0035]在所述的電化學參比電極4上，還可在其上鍍AglAgCl層，起到更穩(wěn)定的參比作用。
[0036]本實施例中，參比電極與測試電極分布在不同平面上，從而節(jié)約了芯片面積，方便進行植入式操作。
[0037]如圖2所示，測試電極層還分布有:引線組6及焊盤組7。其中，引線組6及焊盤組7既包括電化學微電極陣列I和電生理微電極陣列2的引線及焊盤，還包括對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5的引線及焊盤。
[0038]同處測試電極層的電化學微電極陣列I和電生理微電極陣列2直接通過相應引線連接至對應焊盤。對于處在參比電極層的對電極、電化學參比電極、電生理參比電極，在連接三個參比電極的導線上將絕緣層開孔，使其只與相應的電極導通。從而，所有電極均通過引線延伸至硅針基底8的尾端，與方形焊盤相連接。焊盤尺寸200X200 μ m，用于通過壓焊的方式使電極與外部電路相連接。
[0039]本實施例中，電化學微電極陣列1、電生理微電極陣列2、對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5、引線組6、焊盤組7的材料為鉬金屬薄膜，引線組6表面除了與對電極、電化學參比電極、電生理參比電極連接的部分外都覆蓋有氮化硅薄膜絕緣層。
[0040]在本發(fā)明的另一個實施例中，還提供了一種微電極陣列植入式芯片。該微電極陣列植入式芯片同樣自上而下包括:硅針基底、測試電極層、絕緣層和參比電極層。但是，在測試電極層，其只包含電化學微電極陣列和電生理微電極陣列其中之一，并且在參比電極層，其只包含電化學微電極陣列和電生理微電極陣列相應的參考電極。除此之外，本實施例的微電極陣列植入式芯片的結構與上述實施例微電極陣列植入式芯片的結構類似，此處不再重述。
[0041]此外，本領域技術人員應當清楚，雖然本實施例給出了電化學微電極陣列和電生理微電極陣列的具體排列方式，但在實際場景下，可以根據(jù)需要合理設置兩者的具體排列方式，此處不再列舉。
[0042]在利用本實施例微電極陣列植入式芯片進行測試時，將硅針基底8前端的針尖部分植入活體動物的神經(jīng)組織，使電化學微電極陣列I和電生理微電極陣列2與神經(jīng)組織緊密接觸，再結合配套的檢測系統(tǒng)，即可開展動物在體神經(jīng)信息的雙模檢測及相關研究。
[0043]在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，還提供了一種微電極陣列植入式芯片的制備方法。圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的微電極陣列植入式芯片制備方法的流程圖。圖5為按照圖4所示方法制備微電極陣列植入式芯片過程中各步驟之后的剖面示意圖。
[0044]請參照圖4及圖5，本實施例微電極陣列植入式芯片制備方法包括:
[0045]步驟S402，選用SOI硅片作為襯底，如圖5中a所示；
[0046]步驟S404,米用低壓化學氣相沉積(Low Pressure Chemical VaporDeposition,簡稱LPCVD)在SOI硅片上生長200nm厚的氮化層；
[0047]步驟S406，在氮化層上旋涂一層正性光刻膠AZ1500，厚度I μ m,光刻顯影后形成電化學微電極陣列1、電生理微電極陣列2、引線組6、焊盤組7的圖案；
[0048]步驟S408，在光刻膠圖案表面濺射一層厚度30nm的Ti種子層，以增加Pt導電薄膜層與硅片基底的粘附性，接著濺射250nm的Pt薄膜層，如圖5中b所示；
[0049]步驟S410，采用剝離工藝去除多余的Ti/Pt薄膜層，留下所需電化學微電極陣列
1、電生理微電極陣列2、引線組6、焊盤組7，如圖5中C所示；
[0050]步驟S412,在基底表面，采用等離子體增強化學氣相沉積(plasmaenhancedChemical Vapor Deposition,簡稱 PECVD)方法沉積氮化娃(Si3N4)絕緣層，厚度 800nm。
[0051]步驟S414，通過光刻和SF6等離子刻蝕的方法，暴露出電化學微電極陣列I和電生理微電極陣列2，焊盤組7以及連接對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5的200 μ m長的引線，保留其余引線表面覆蓋的氮化硅絕緣層，如圖5中d所示；
[0052]步驟S416，旋涂一層正性光刻膠AZ1500，厚度Ιμπι，光刻顯影后形成對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5的圖案；
[0053]步驟S418，在光刻膠圖案表面濺射一層厚度30nm的Ti種子層，以增加Pt導電薄膜層與絕緣層的粘附性，接著派射250nm的Pt薄膜層；
[0054]步驟S420，采用剝離工藝去除多余的Ti/Pt薄膜層，留下所需對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5，如圖5中e所示；
[0055]對電極3、電化學參比電極4、電生理參比電極5都通過與其相連的導線連接到焊盤。
[0056]步驟S422，采用深刻蝕工藝刻蝕出硅針基底外形，如圖5中f所示；采用濕法腐蝕工藝去掉SOI硅片底層硅，釋放硅針基底，如圖5中g所示；
[0057]步驟S424，得到硅針芯片后，在電化學參比電極(4)上化學沉積4_5 μ m的銀，再在這層銀上通過50mM的KCl反應生成AgCl，這樣就在芯片上形成了 Ag|AgCl參比電極。在測神經(jīng)遞質(zhì)如谷氨酸時，一組電化學微電極上修飾谷氨酸氧化酶，可以與谷氨酸反應，同時也會有其他遞質(zhì)的響應，另一組不做修飾，將不與谷氨酸反應，但也會有其他遞質(zhì)的響應，將這兩組信號差分就得到谷氨酸的濃度信號。
[0058]綜上所述，本發(fā)明提供了一種微電極陣列植入式芯片及其制備方法。該微電極陣列植入式芯片采用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝加工制備，克服了以往微電極芯片含有參比電極后電極寬度變大的缺陷，同時對電極陣列的設計包含了差分功能，具有重復性好，性能穩(wěn)定，使用方便等優(yōu)點，有利于在體電生理、神經(jīng)遞質(zhì)信號的檢測。
[0059]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種微電極陣列植入式芯片，其特征在于，包括: 基底，其前端呈針狀，向后逐漸增寬； 測試電極層，形成于所述基底上，包括:至少一種的微電極陣列； 絕緣層，形成于除所述微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上；以及參比電極層，形成于所述絕緣層上，與所述測試電極層的微電極陣列相互錯開，包括與所述至少一種微電極陣列相對應的參比電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于: 所述測試電極層包括:電化學微電極陣列，包括若干組電化學電極，每組兩個電化學電極；以及電生理微電極陣列，包括若干個與所述電化學電極相互錯開的電生理電極； 所述參比電極層包括:相互錯開的對電極、電化學參比電極和電生理參比電極。
3.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于，所述電化學微電極陣列至少包含兩組的電化學電極； 該兩組的電化學電極中，其中一組的位點上修飾復合敏感膜材料，另一組的位點上不修飾復合敏感膜材料，用于提供兩組的差分信號。
4.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于，還包括:Ag|AgCl層，沉積于所述電化學參比電極上。
5.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于，所述測試電極層還包括: 引線組，包括分別與所述若干個電化學電極、若干個電生理電極、電化學參比電極、電生理參比電極相對應的引線；以及 焊盤組，包括分別與所述引線組中各條引線相對應的焊盤，用于將電化學電極、電生理電極、對電極、電化學參比電極、電生理參比電極的信號引入外部電路； 其中，所述電化學電極和電生理電極直接與相應的引線相連接，所述對電極、電化學參比電極和電生理參比電極分別通過將對應位置的絕緣層開孔與相應的引線連接。
6.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于: 所述電化學微電極陣列包括:4個方形的電化學電極,分為相對的兩組； 所述電生理微電極陣列包括:12個圓形的電生理電極，其中兩個電生理電極位于兩組電化學電極之間，其余10個圓形電極沿直線排列于基底的內(nèi)側。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于，對于所述基底:其形狀為單針形或多針形；其材料為SOI,單晶娃、摻雜娃、或硼擴散娃。
8.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的微電極陣列植入式芯片，其特征在于:所述絕緣層的材料為氮化硅；所述測試電極層和參比電極層的材料為鉬。
9.一種微電極陣列植入式芯片的制備方法，其特征在于，包括: 在基底上形成測試電極層，該測試電極層包括至少一種的微電極陣列； 在除所述微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上形成絕緣層； 在所述絕緣層上形成與所述測試電極層的微電極陣列相互錯開的參比電極層，該參比電極層包括與所述至少一種微電極陣列相對應的參比電極； 將基底刻蝕為針形。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述在基底上形成測試電極層的步驟包括: 在基底上旋涂光刻膠，光刻顯影后形成電化學微電極陣列、電生理微電極陣列、引線組、焊盤組的圖案； 在光刻膠圖案表面濺射金屬，在移除多余的金屬之后，形成電化學微電極陣列、電生理微電極陣列、引線組和焊盤組。
11.根據(jù)權利要求?ο所述的方法，其特征在于: 所述在除微電極陣列所在區(qū)域之外的基底上形成絕緣層的步驟包括:在基底表面沉積絕緣層；通過刻蝕，暴露出電化學微電極陣列和電生理微電極陣列，及連接對電極、電化學參比電極、電生理參比電極的引線； 所述在絕緣層上形成與所述測試電極層的微電極陣列相互錯開的參比電極層的步驟包括:旋涂光刻膠，光刻顯影后形成對電極、電化學參比電極、電生理參比電極的圖案； 在光刻膠圖案表面濺射金屬，在移除多余的金屬之后，形成對電極、電化學參比電極和電生理參比電極。
【文檔編號】A61B5/04GK103829938SQ201210487381
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月26日 優(yōu)先權日:2012年11月26日
【發(fā)明者】蔚文婧, 蔡新霞, 宋軼琳, 劉春秀, 蔣庭君, 石文韜, 林楠森, 王蜜霞, 徐聲偉 申請人:中國科學院電子學研究所