集成内部金属屏蔽层的光电神经探针及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针及制备方法，包括：电生理信号记录通道，用于将神经电信号从电极点传导至采集系统的通路；激光二极管供电通道，用于将脉冲式的电流或者电压信号传导至神经探针基部的焊盘处用于驱动激光二极管工作的通路；金属屏蔽层，集成于电生理信号记录通道与激光二极管供电通道之间。本发明专利技术不但具有神经信号记录和光刺激功能，其在探针基部集成的中间金属屏蔽层，将电生理信号记录通道和激光二极管的供电通道分层隔离，使电生理通道记录到的电磁干扰产生的刺激跟随伪迹有很大的衰减，降低了在动物体内进行光遗传实验中刺激跟随伪迹对神经动作电位造成的污染。本发明专利技术采用MEMS工艺，具有较高的复现性。

Photoelectric nerve probe with integrated inner metal shield and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
集成内部金属屏蔽层的光电神经探针及其制备方法
本专利技术涉及生物医学工程领域的神经信号记录和刺激微电极，具体地，集成内部金属屏蔽层的光电神经探针及其制备方法。
技术介绍
在过去的几十年里，通过电刺激大脑的方法使得人们得以洞悉大脑的功能。为进一步推进神经科学的发展并研究复杂神经网络中大量神经元之间的作用机制，需要选择性的对某一特殊类型的单个神经元进行激活或者抑制。目前，使用电刺激的方法仍然不能有效的对特定的神经元进行激活或者抑制。最近，光遗传学通过向特定的细胞中引入光敏蛋白以使其能够对光刺激产生动作电位响应，这使得神经环路研究得到革命性的发展。使用合适的波长来激发特定的视蛋白，可以实现时间分辨率可控的特定神经元的激活或者抑制。例如，光敏感通道蛋白(ChR2)和盐细菌视紫红质可以同时在同一种细胞内进行表达，这样就可以用蓝光(～473nm)或者黄光(～590nm)对目标神经元进行激活或者抑制。这允许我们精确地对神经环路进行调控从而进一步地了解神经编码以及神经活动与行为响应之间的联系。在神经科学领域内，光遗传学实验中广泛应用的工具是将光学纤维(直径约200μm)直接和神经记录探针集成。尽管现阶段一些基于光纤的神经探针已经商业化，但是植入过程中较大尺寸的光纤会挤压脑组织，引起植入过程中的组织损伤，同时外部庞大的光纤光源也限制了动物的活动。为了克服集成光纤神经探针的局限性，利用微加工工艺实现片上集成光源的光电神经探针成为光遗传技术新的解决方案。2015年，FanWu和EuisikYoon等人提出片上生长氮化镓(GaN)层，将微型的LED直接在探针尖端形成实现去光纤化的光电神经探针，但是由于微型LED工作时和组织的距离过近，光线照射引起的温升造成组织过热而影响正常的神经电生理活动。另一种去光纤化的光电神经探针通过在硅探针的后端键合激光二极管，将激光二极管发射的光耦合到集成片上光波导，光线从波导前端出射，进行光刺激。这种方法的不足是激光二极管的电源供电线和记录通道之间的紧密距离，记录通道会产生由电磁干扰(EMI)耦合引起的刺激锁定的伪影，污染正常神经动作电位的记录。综上所述，光遗传技术中迫切需要一种无光纤的低噪声光电神经探针工具来使这项技术在神经科学领域大放异彩。
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集成内部金属屏蔽层的光电神经探针。根据本专利技术第一个方面，提供一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，包括：电生理信号记录通道，用于将神经电信号从电极点传导至采集系统的通路；激光二极管供电通道，用于将脉冲式的电流或者电压信号传导至神经探针基部的焊盘处用于驱动激光二极管工作的通路；金属屏蔽层，集成于所述电生理信号记录通道与所述激光二极管供电通道之间，用于隔离两者，通过所述金属屏蔽层接地，实现对电磁干扰产生的刺激跟随伪迹的衰减，可降低光遗传实验过程中刺激跟随伪迹对神经动作电位造成的污染。优选地，所述电生理信号记录通道的材料选用生物相容性材料；所述生物相容性材料包括金、钛、铂或铂铱合金中的任一种。优选地，所述激光二极管供电通道的材料选用生物相容性材料；所述生物相容性材料包括金、钛、铂或铂铱合金中的任一种。优选地，还包括：第一绝缘层，其位于最底层，所述电生理信号记录通道设置于所述第一绝缘层的上方；第二绝缘层，其设置于所述电生理信号记录通道的上方，且所述金属层设置于所述第二绝缘层的上方；第三绝缘层，其设置于所述金属屏蔽层上方，且所述激光二极管供电通道设置于所述第三绝缘层的上方。优选地，还包括：波导下包层，其设置于所述激光二极管供电通道的上方；光波导层，其设置于所述波导下包层的上方；波导上包层，其设置于所述光波导层的上方。根据本专利技术第二个方面，提供一种光电神经探针与激光二极管的封装结构，所述光电神经探针是指上述集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，所述光电神经探针的阳极焊盘与所述激光二极管的阳极通过各向异性导电胶键合实现联通，所述光电神经探针的阴极焊盘与所述激光二极管的阴极通过金丝球焊键合实现联通，实现所述激光二极管的封装。根据本专利技术第三个方面，提供一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针的制备方法，包括：制备电生理信号记录通道，在所述电生理信号记录导线层的上方制备金属屏蔽层，然后在所述金属屏蔽层上方制备激光二极管供电通道。优选地，还包括：在制备所述电生理信号记录通道步骤之前，还包括先制备第一绝缘层，再在所述第一绝缘层上方制备所述电生理信号记录通道；然后在制备所述电生理信号记录通道步骤之后，还包括在其上方制备一层第二绝缘层，再在所述第二绝缘层的上方制备所述金属屏蔽层，在制备所述金属屏蔽层步骤之后还包括在其上方制备第三绝缘层，最后，在所述第三绝缘层的上方制备所述激光二极管供电通道。优选地，包括以下步骤：S1：选取片上绝缘硅作为基底，所述基底包括顶层硅、埋氧层和底层硅，在所述衬底上沉积一层氧化硅作为第一绝缘层，所述第一绝缘层位于所述顶层硅上方；S2：在所述第一绝缘层上先制备一层金属粘附层，再在所述金属粘附层上制备一层金属导电层，然后在所述金属导电层上制备一层金属作为刻蚀阻挡层，图形化后得到弯曲走线的电生理信号记录通道；S3：在所述电生理信号记录导线层上沉积一层氧化硅作为中间绝缘层，得到所述第二绝缘层，在所述第二绝缘层上制备一层金属粘附层，然后在所述金属粘附层上制备一层金属导电层，之后在所述金属导电层上制备一层金属作为刻蚀阻挡层，图形化后得到所述金属屏蔽层；S4：在所述金属屏蔽层上沉积一层氧化硅作为顶部绝缘层，得到所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上制备一层金属粘附层，然后在所述金属粘附层上制备一层金属导电层，之后在所述金属导电层上制备一层金属作为刻蚀阻挡层，图形化后得到所述激光二极管供电通道；S5：在所述激光二极管供电通道上沉积一层氧化硅，然后在其上制备一层金属作为刻蚀阻挡层，在所述刻蚀阻挡层上沉积一层氧化硅，再在其上方沉积一层氮氧化硅；S6：通过干法刻蚀工艺形成光波导层和波导下包层，然后使用湿法刻蚀将S5中所述阻挡层去除；S7：在所述光波导上沉积一层氧化硅作为波导上包层，通过干法刻蚀工艺刻蚀所述波导上包层和所述第三绝缘层以及所述第二绝缘层，将激光二极管供电焊盘，所述金属屏蔽层的外部和记录电极点以及焊盘区域暴露，然后使用湿法刻蚀将S2-S4所述阻挡层去除。S8：通过干法刻蚀工艺刻蚀所述第一绝缘层，深反应离子刻蚀所述片上绝缘硅的顶层硅，作为神经探针释放的轮廓线；S9：在所述片上绝缘硅的上表面旋涂一定厚度的正胶作为保护层；S10：通过深反应离子刻蚀所述片上绝缘硅的底层硅，反应离子刻蚀工艺刻蚀所述片上绝缘硅片中间的埋氧层，实现神经探针的释放。优选地，在S2、S3、S4、S5中制备的一层金属作为所述刻蚀阻挡层，以实现不同深度氧化硅的刻蚀。优选地，所述第一绝缘层的厚度为1-2μm。第二绝缘层的厚度为：5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：包括：/n电生理信号记录通道，用于将神经电信号从电极点传导至采集系统的通路；/n激光二极管供电通道，用于将脉冲式的电流或者电压信号传导至神经探针基部的焊盘处用于驱动激光二极管工作的通路；/n金属屏蔽层，集成于所述电生理信号记录通道与所述激光二极管供电通道之间，用于隔离两者，通过所述金属屏蔽层接地，实现对电磁干扰产生的刺激跟随伪迹的衰减，可降低光遗传实验过程中刺激跟随伪迹对神经动作电位造成的污染。/n

【技术特征摘要】
1.一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：包括：
电生理信号记录通道，用于将神经电信号从电极点传导至采集系统的通路；
激光二极管供电通道，用于将脉冲式的电流或者电压信号传导至神经探针基部的焊盘处用于驱动激光二极管工作的通路；
金属屏蔽层，集成于所述电生理信号记录通道与所述激光二极管供电通道之间，用于隔离两者，通过所述金属屏蔽层接地，实现对电磁干扰产生的刺激跟随伪迹的衰减，可降低光遗传实验过程中刺激跟随伪迹对神经动作电位造成的污染。


2.根据权利要求1所述的一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：所述电生理信号记录通道的材料选用生物相容性材料；
所述生物相容性材料包括金、钛、铂或铂铱合金中的任一种。


3.根据权利要求1所述的一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：所述激光二极管供电通道的材料选用生物相容性材料；
所述生物相容性材料包括金、钛、铂或铂铱合金中的任一种。


4.根据权利要求1所述的一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：还包括：
第一绝缘层，其位于最底层，所述电生理信号记录通道设置于所述第一绝缘层上方；
第二绝缘层，其设置于所述电生理信号记录通道的上方，且所述金属屏蔽层设置于所述第二绝缘层上方；
第三绝缘层，其设置于所述金属屏蔽层的上方，且所述激光二极管供电通道设置于所述第三绝缘层的上方。


5.根据权利要求4所述的一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，其特征在于：还包括：
波导下包层，其设置于所述激光二极管供电通道的上方；
光波导层，其设置于所述波导下包层的上方；
波导上包层，其设置于所述光波导层的上方。


6.一种光电神经探针与激光二极管的封装结构，其特征在于，所述光电神经探针是指权利要求1-5中任一项所述的集成内部金属屏蔽层的光电神经探针，所述光电神经探针的阳极焊盘与所述激光二极管的阳极通过各向异性导电胶键合实现联通，所述光电神经探针的阴极焊盘与所述激光二极管的阴极通过金丝球焊键合实现联通，实现所述激光二极管的封装。


7.一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针的制备方法，其特征在于，包括：制备电生理信号记录通道，在所述电生理信号记录导线层的上方制备金属屏蔽层，然后在所述金属屏蔽层的上方制备激光二极管供电通道。


8.根据权利要求7所述的一种集成内部金属屏蔽层的光电神经探针的制备方法，其特征在于，还包括：在制备所述电生理信号记录通道步骤之前，还包括先制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，王隆春，郭哲俊，吉博文，奚野，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31