一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法技术

本发明专利技术公开一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，包括：S1：使用微加工技术制备集成SU‑8或氮氧化硅光波导的硅基微电极；S2：使用各向异性导电胶膜ACF作为焊料实现LD或LED与所述硅基微电极的键合，得到LD/LED耦合光波导电极；S3：将LD/LED耦合光波导电极进行堆叠实现光电极的三维集成，得到三维光电极阵列；S4：通过3D打印技术制备了一个微型驱动，将三维光电极阵列与微型驱动进行集成，通过调节微型驱动上的驱动螺杆实现光电极阵列在动物体内植入后的位置调整能力。本发明专利技术可以大大降低器件的集成成本，节省器件的工艺流程并提高工艺的可靠性。

Fabrication of a Drivable Neurophotoelectrode Array

The invention discloses a method for preparing a driving neuro-optic electrode array, which includes: S1: fabricating silicon-based microelectrodes integrated with SU 8 or silicon nitride optical waveguide by microfabrication technology; S2: bonding LD or LED with silicon-based microelectrodes using anisotropic conductive film ACF as solder to obtain LD/LED coupled optical waveguide electrodes; S3: fabricating LD/LED coupled optical waveguide electrodes; Stacked to achieve three-dimensional integration of photovoltaic electrodes, resulting in three-dimensional photovoltaic array; S4: A micro-driver was fabricated by three-dimensional printing technology, which integrated the three-dimensional photovoltaic array with the micro-driver, and realized the position adjustment ability of the photovoltaic array after implantation in animals by adjusting the driving screw on the micro-driver. The invention can greatly reduce the integration cost of the device, save the process flow of the device and improve the reliability of the process.

【技术实现步骤摘要】
一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法
本专利技术涉及一种MEMS脑机接口领域的器件，具体地说，涉及一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法。
技术介绍
随着神经科学研究的不断深入，需要对特定区域的某一类神经元进行选择性的激活或者抑制，这就需要神经微探针具有单个神经元分辨率的记录与刺激功能。目前，通过降低电极点的尺寸已经可以实现微电极对于单个神经元的记录。然而，使用电刺激的方法仍然难以实现对单个神经元的刺激。这主要是因为从电极点释放的电流无法被有效的限制在目标神经元附近，从而使得电刺激的空间分辨率较低。最近，通过在刺激电极点周围设置一些地电极点，研究人员已经能够将刺激区域限制在地电极点围绕的范围内。然而，由于布设相应的地线会导致刺激电极点的布线空间减少，这种电极的空间分辨率依然难以达到单个神经元级别。最近，光遗传学在神经功能环路研究方面的广泛应用使得微电极的刺激空间分辨率得到空前提高，这主要得益于光遗传学中基因表达的特异性。通过使用对特定波长敏感的视蛋白对目标神经元进行转染，可以实现对目标神经元的光刺激。由于可见光在脑组织内的衰减非常快，这使得刺激区域可以被限制在单个神经元的范围。因此，进行高密度的三维光电集成是提高微电极记录与刺激的空间分辨率的有效方法。目前，P.Ruther和EuisikYoon等人在论文“UltracompactoptrodewithintegratedlaserdiodechipsandSU-8waveguidesforoptogeneticapplications”和“Fiberlessmulticolorneuraloptoelectrodeforinvivocircuitanalysis”中都提出了集成LD的光电极制备方法。然而，这些论文中提出的LD的键合方法都需要使用专用的超声键合设备。而且，为了实现超声键合，还需要提前在微电极的焊盘上进行镀金。这些约束使得LD的键合比较困难，且灵活性较差。此外，以上论文中提出的集成LD的光电极都没有进行三维集成。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于多脑区神经网络研究的可驱动型神经光电极阵列的制备方法，使用集成了微型LD/LED的光电极进行三维堆叠来实现光电极阵列的制备，一方面降低了光电极阵列的集成复杂度，另一方面也提高了光电极阵列的空间分辨率。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，包括：S1：使用微加工技术制备集成SU-8或氮氧化硅光波导的硅基微电极；S2：使用各向异性导电胶膜ACF作为焊料实现LD或LED与所述硅基微电极的键合，得到LD/LED耦合光波导电极；S3：将LD/LED耦合光波导电极进行堆叠实现光电极的三维集成，得到三维光电极阵列；S4：通过3D打印技术制备了一个微型驱动，将三维光电极阵列与微型驱动进行集成，通过调节微型驱动上的驱动螺杆实现光电极阵列在动物体内植入后的位置调整能力。优选地，所述S1中，使用微加工技术制备集成氮氧化硅光波导的硅基微电极，包括：S101：使用硅片作为微电极的衬底材料；所述硅片为SOI硅片；S102：在硅片正面沉积一层下绝缘层材料；S103：在下绝缘层上生长一层金属层；S104：使用平面光刻技术将金属层图形化；S105：沉积上绝缘层材料；S106：溅射一层金属铬作为光波导的刻蚀阻挡层；S107：沉积一层氧化硅作为光波导的下包层；S108：沉积一层氮氧化硅或者氮化硅作为光波导的芯层；S109：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的芯层和包层图形化；S110：湿法刻蚀去除上绝缘层上的金属铬；S111：沉积一层氧化硅作为光波导的上包层；S112：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的上包层和上绝缘层图形化以暴露出电极点和焊盘结构；S113：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将上包层以及上下绝缘层图形化以暴露出微电极的轮廓线；S114：使用湿法刻蚀技术将电极点和焊盘上的金属铬去除；S115：使用深硅刻蚀技术将顶层硅图形化，形成微电极的轮廓以及焊盘周围的凹槽；S116：在硅片的背面溅射一层金属铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜；S117：使用双面对准光刻技术将硅片背面的金属铬以及氧化层图形化；S118：使用湿法刻蚀技术去除背面暴露的金属铬；S119：使用反应离子刻蚀技术去除背面暴露的氧化层；S120：使用深硅刻蚀技术将背面暴露出的硅刻蚀掉；S121：使用反应离子刻蚀技术将埋氧层去除；S122：将器件放入丙酮中进行释放，得到集成氮氧化硅光波导的硅基微电极。更优选地，所述SOI硅片，其顶层硅，埋氧层和底层硅的厚度分别为30μm，2μm和450μm。更优选地，所述金属层为Cr/Au/Cr。更优选地，所述绝缘层为氮化硅/氧化硅。更优选地，所述光波导的包层为氧化硅，芯层为氮氧化硅。优选地，所述S1中，使用微加工技术制备集成SU-8光波导的硅基微电极，包括：S101:使用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)在硅片正面沉积一层下绝缘层材料，所述硅片为SOI硅片；S102:在下绝缘层上溅射一层金属层作为导电层。S103:使用光刻和离子束刻蚀设备将金属层图形化。此步形成电极点，导线及焊盘。S104:使用等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积一层上绝缘层材料。S105:使用光刻和反应离子刻蚀(RIE)将电极点和焊盘上的氧化层去除。S106:使用光刻和离子刻蚀设备将上下绝缘层图形化。接着，使用深硅刻蚀设备将电极轮廓线以及凹槽轮廓线上的顶层硅去除。S107:在硅片上甩一层SU-8光刻胶，光刻后显影。此步形成SU-8光波导结构。S108:使用溅射系统在SOI硅片的背面溅射一层铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜。S109:使用光刻和湿法刻蚀去除暴露的铬，再使用反应离子刻蚀设备将暴露的氧化层去除。此步形成背面深硅刻蚀的硬掩模。S110:使用深硅刻蚀技术将底层硅图形化。接着，使用反应离子刻蚀将埋氧层清除。此步实现探针减薄，并将光电极从衬底上分离，得到集成SU-8光波导的硅基微电极。更优选地，所述SOI硅片，其顶层硅、埋氧层和底层硅的厚度分别为30μm、2μm和450μm。更优选地，所述金属层为Cr/Au。更优选地，所述绝缘层为氧化硅。进一步的，所述S2，具体为：S201：使用双面胶将光电极(集成了发光元件LE/LED的微电极)固定在载玻片上；S202：将一小段ACF贴附在光电极的焊盘上；S203：将载玻片放在热压机的载物台上，使压头与焊盘上的ACF对准并进行预压；S204：将ACF的隔离膜去除，随后将光电极转移到焊线机的加热台上进行固定；S205：使用焊线机的加热台将光电极升温到200℃以上使得ACF熔化；S206：使用焊线机的劈刀将LD/LED转移到光电极的焊盘上，并施加一定的压力使得LD/LED的焊盘能够充分接触ACF中的导电粒子；S207：再次使用焊线机的劈刀将LD/LED的位置进行微调，使得LD/LED的发射窗口能够直接耦合到光波导的截面上；S208：将微电极转移到另一个加热台上冷却至室温，等待焊盘上的ACF固化；S209：使用焊线机将LD/LED上表面的焊盘与光电极的焊盘键合在一起，得到LD/LED耦合光波导电极。优选地，所用ACF型号为日立化学生产的型号为AC-7813K本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，包括：S1：使用微加工技术制备集成SU‑8或氮氧化硅光波导的硅基微电极；S2：使用各向异性导电胶膜ACF作为焊料实现LD或LED与所述硅基微电极的键合，得到LD/LED耦合光波导电极；S3：将LD/LED耦合光波导电极进行堆叠实现光电极的三维集成，得到三维光电极阵列；S4：通过3D打印技术制备了一个微型驱动，将三维光电极阵列与微型驱动进行集成，通过调节微型驱动上的驱动螺杆实现光电极阵列在动物体内植入后的位置调整能力。

【技术特征摘要】
1.一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，包括：S1：使用微加工技术制备集成SU-8或氮氧化硅光波导的硅基微电极；S2：使用各向异性导电胶膜ACF作为焊料实现LD或LED与所述硅基微电极的键合，得到LD/LED耦合光波导电极；S3：将LD/LED耦合光波导电极进行堆叠实现光电极的三维集成，得到三维光电极阵列；S4：通过3D打印技术制备了一个微型驱动，将三维光电极阵列与微型驱动进行集成，通过调节微型驱动上的驱动螺杆实现光电极阵列在动物体内植入后的位置调整能力。2.根据权利要求1所述的一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，所述S1中，使用微加工技术制备集成氮氧化硅光波导的硅基微电极，包括：S101：使用硅片作为硅基微电极的衬底材料，所述硅片为SOI硅片；S102：在硅片正面沉积一层下绝缘层材料；S103：在下绝缘层上生长一层金属层；S104：使用平面光刻技术将金属层图形化；S105：沉积上绝缘层材料；S106：溅射一层金属铬作为光波导的刻蚀阻挡层；S107：沉积一层氧化硅作为光波导的下包层；S108：沉积一层氮氧化硅或者氮化硅作为光波导的芯层；S109：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的芯层和包层图形化；S110：湿法刻蚀去除上绝缘层上的金属铬；S111：沉积一层氧化硅作为光波导的上包层；S112：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的上包层和上绝缘层图形化以暴露出电极点和焊盘结构；S113：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将上包层以及上、下绝缘层图形化以暴露出微电极的轮廓线；S114：使用湿法刻蚀技术将电极点和焊盘上的金属铬去除；S115：使用深硅刻蚀技术将顶层硅图形化，形成微电极的轮廓以及焊盘周围的凹槽；S116：在硅片的背面溅射一层金属铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜；S117：使用双面对准光刻技术将硅片背面的金属铬以及氧化层图形化；S118：使用湿法刻蚀技术去除背面暴露的金属铬；S119：使用反应离子刻蚀技术去除背面暴露的氧化层；S120：使用深硅刻蚀技术将背面暴露出的硅刻蚀掉；S121：使用反应离子刻蚀技术将埋氧层去除；S122：将器件放入丙酮中进行释放，得到集成氮氧化硅光波导的硅基微电极。3.根据权利要求2所述的一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，所述OI硅片，其顶层硅、埋氧层和底层硅的厚度分别为30μm、2μm和450μm。4.根据权利要求2所述的一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，所述金属层为Cr/Au/Cr；所述绝缘层为氮化硅/氧化硅。5.根据权利要求2所述的一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，所述光波导的包层为氧化硅，芯层为氮氧化硅。6.根据权利要求2所述的一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，其特征在于，所述S1中，使用微加工技术制备集成SU-8光波导的硅基微电极，包括：S101:使用等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积一层下绝缘层材料，所述硅片为SOI硅片；S102:在下绝缘层上溅射一层金属层作为导电层；S103:使用光刻和离子束刻蚀设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，王明浩，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31