一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极及其制备方法。现有的神经电极仅能够采集信号无法对大脑进行刺激，且往往过刚或过柔，导致脑损伤或植入困难。本发明专利技术一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，包括记录层、电磁屏蔽层和光刺激层。依次层叠设置的记录层、电磁屏蔽层、光刺激层共同形成神经光电极结构；探针的尖端设置有暴露的记录电极点。探针上的光刺激层形成截面为矩形的光波导结构。电极基体上光刺激层设置有LD安置槽。LD安置槽内设置有刺激光源。刺激光源与探针上的光波导结构对准；本发明专利技术拥有良好的柔性，且SU‑8光刻胶提供了合适的刚性，在提高光传输效率的同时避免电极探针植入时的弯曲。

【技术实现步骤摘要】
一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极及其制备方法
本专利技术涉及脑机接口领域的柔性生物传感器制备，具体地，涉及一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极的微加工制备方法，是通过将超薄柔性记录电极与LD耦合SU-8光波导结构进行光电集成来实现制备的。
技术介绍
在过去的几年里，微机电系统技术和光电子技术的飞速发展使得硅基神经光电极的电生理记录和光刺激性能得到空前的提高。一方面，先进的电子束曝光技术使得电极点的记录空间分辨率得到极大的提高；另一方面，通过集成光波导、激光二极管6和微型LED等，硅基神经光电极的刺激空间分辨率也得到了极大的提高。然而，硅基神经光电极在体内长期植入的稳定性以及安全性成为其应用于人类神经系统疾病诊断与治疗的障碍。这主要是因为硅的杨氏模量与脑组织不匹配，当电极植入体内进行固定后，大脑的运动会造成电极不断剪切脑组织从而诱发胶质包覆，使得电极失去记录与刺激能力。为了解决这些问题，一些新型的柔性神经光电极结构被提出来用于提高光电极在体内长期植入的稳定性。经过对现有技术文献的检索发现，柔性神经光电极结构主要包括柔性光纤技术、柔性光波导技术以及柔性微LED技术。中科院深圳先进技术研究院的王立平课题组在论文“UltrasoftandHighlyStretchableHydrogelOpticalFibersforInVivoOptogeneticModulations”中采用柔软的水凝胶光纤来替代传统的玻璃光纤，通过降低光纤与脑组织的机械失配，提高了光电极的生物相容性和长期稳定性。美国伊利诺伊大学的Tae-ilKim和JohnA.Rogers教授等人在论文“Injectable,cellular-scaleoptoelectronicswithapplicationsforwirelessoptogenetics”中研制了一种具有4个微型LED光源的多模柔性神经光电极。这种光电极通过激光剥离将蓝宝石基微LED转印到柔性聚合物探针5上，从而实现柔性可注射微LED光电极的制备。日本丰桥技术科学大学的S.Yamagiwa等在论文“Flexibleoptrodearray:Parylene-filmwaveguidearrayswithmicroelectrodesforoptogenetics”中研制了一种利用Parylene作为柔性光波导的神经光电极。该电极采用18μm厚的parylene-C(包覆层)/N(芯层)/C(包覆层)构成的光波导来将外部光纤的光传输到刺激位点来进行刺激。然而，以上三种柔性光电极结构仍然存在一些不足，比如柔性光纤需要与金属丝电极进行手工集成，柔性Parylene电极主要用于皮层表面光刺激，而柔性LED电极在注射后无法调整位置。本专利技术通过使用超薄PI(聚酰亚胺)作为记录电极衬底，并结合LD耦合SU-8光波导结构来实现神经记录和刺激，克服了以上不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的缺陷，使用超薄PI(聚酰亚胺)作为记录电极衬底，并结合LD耦合SU-8光波导结构来实现神经记录和刺激；通过超薄PI与SU-8的结合，一方面可以使得记录电极拥有良好的柔性，从而减轻机械失配引起的脑组织损伤，另一方面也可以确保光波导具有合适的刚性，从而提高光传输效率的同时避免电极植入时弯曲。本专利技术一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，包括记录层、电磁屏蔽层和光刺激层。依次层叠设置的记录层、电磁屏蔽层、光刺激层共同形成神经光电极结构；神经光电极结构分为电极基体和探针。探针的尖端设置有暴露的记录电极点。探针上的光刺激层形成截面为矩形的光波导结构。电极基体上光刺激层在靠近探针光波导结构的位置设置有LD安置槽。LD安置槽内设置有刺激光源。刺激光源与探针上的光波导结构对准；记录层包括包括下绝缘层、导电层和上绝缘层。导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。所述的导电层分为信号线、接地线和LD供电线。信号线将探针端部的记录电极点采集到的信号引出；接地线与电磁屏蔽层连接在一起；接地线环绕在激光二极管的周围；LD供电线为刺激光源供电。作为优选，LD键合焊盘共有两个；其中一个LD键合焊盘设置在LD安置槽内，与刺激光源的阴极连接；其中一个LD键合焊盘翻折到激光二极管的外侧，与激光二极管的阳极连接；两个LD供电焊盘与驱动电源的正、负极分别连接；接地焊盘与外部地线连接；记录电极焊盘与神经信号采集系统连接。多条信号线将探针端部的多个记录电极点与多个记录电极焊盘分别连接；接地线与接地焊盘连接；两条LD供电线分别将两个LD键合焊盘与两个LD供电焊盘各自连接。作为优选，所述的上绝缘层及下绝缘层的材料均采用PI。所述的光刺激层采用SU-8光刻胶。作为优选，本专利技术用于神经记录和刺激的柔性神经光电极采用激光二极管作为刺激光源。激光二极管与LD安置槽底部的电磁屏蔽层通过ACF导电胶键合连接。作为优选，所述的导电层采用为Cr/Au双层膜；Cr层的厚度为20纳米；Au层的厚度为200纳米。作为优选，所述的接地焊盘与外部地线连接；记录电极焊盘与神经信号采集系统连接。该神经记录和刺激的柔性神经光电极的制备方法的具体步骤如下：S1：使用PI作为绝缘层，并在绝缘层上集成SU-8光波导来实现光刺激。绝缘层内的导电层中，使用地线和金属屏蔽层将激光二极管的供电导线包围起来，通过电磁屏蔽来降低激光二极管对记录通道的电磁干扰。S2：利用LD安置槽实现激光二极管与探针上的光波导结构的对准，并通过ACF导电胶实现LD安置槽与LD键合焊盘的热压键合。作为优选，步骤S1的具体过程如下：①.使用单面抛光的硅片作为衬底，将硅片依次放入丙酮，乙醇和去离子水中各超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。②.使用甩胶机在硅片正面沉积一层PMMA作为牺牲层。③.在牺牲层上旋涂一层PI作为柔性神经光电极的下绝缘层。④.在下绝缘层上沉积一层金属作为记录电极的导电层，形成导电层的金属为Cr/Au。⑤.使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。⑥.使用湿法刻蚀先后将导电层图形化，形成信号线、地线和LD供电线；⑦.在导电层上旋涂一层PI作为上绝缘层。⑧.在上绝缘层上沉积一层100纳米厚的Cu作为第一硬掩模。⑨.在第一硬掩模上甩胶并使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。⑩.使用湿法刻蚀将第一硬掩模图形化。使用反应离子刻蚀将上绝缘层图形化。随后，使用湿法刻蚀将第一硬掩模去除。在上绝缘层上沉积一层Cu作为第二硬掩模和电磁屏蔽层。甩胶并使用平面光刻技术将光刻胶图形化，光刻胶为正胶。使用湿法刻蚀将第二硬掩模图形化。使用反应离子刻蚀将上绝缘层和下绝缘层图形化。使用平面光刻技术将SU-8光刻胶图形化，形成探针上的光波导和电极基部上的LD安置槽；其中SU-8光刻胶的厚度为90微米。使用湿法刻蚀将多余的第二硬掩模去除。使用显影液将牺牲层去除并释放柔性神经光电极。...

【技术保护点】
1.一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，包括记录层；其特征在于：还包括电磁屏蔽层和光刺激层；依次层叠设置的记录层、电磁屏蔽层、光刺激层共同形成神经光电极结构；神经光电极结构分为电极基体和探针；探针的尖端设置有暴露的记录电极点；探针上的光刺激层形成截面为矩形的光波导结构；电极基体上光刺激层在靠近探针光波导结构的位置设置有LD安置槽；LD安置槽内设置有刺激光源；刺激光源与探针上的光波导结构对准；记录层包括包括下绝缘层、导电层和上绝缘层；导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间；/n所述的导电层分为信号线、接地线和LD供电线；信号线将探针端部的记录电极点采集到的信号引出；接地线与电磁屏蔽层连接在一起；接地线环绕在激光二极管的周围；LD供电线为刺激光源供电。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，包括记录层；其特征在于：还包括电磁屏蔽层和光刺激层；依次层叠设置的记录层、电磁屏蔽层、光刺激层共同形成神经光电极结构；神经光电极结构分为电极基体和探针；探针的尖端设置有暴露的记录电极点；探针上的光刺激层形成截面为矩形的光波导结构；电极基体上光刺激层在靠近探针光波导结构的位置设置有LD安置槽；LD安置槽内设置有刺激光源；刺激光源与探针上的光波导结构对准；记录层包括包括下绝缘层、导电层和上绝缘层；导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间；
所述的导电层分为信号线、接地线和LD供电线；信号线将探针端部的记录电极点采集到的信号引出；接地线与电磁屏蔽层连接在一起；接地线环绕在激光二极管的周围；LD供电线为刺激光源供电。


2.根据权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，其特征在于：LD键合焊盘共有两个；其中一个LD键合焊盘设置在LD安置槽内，与刺激光源的阴极连接；其中一个LD键合焊盘翻折到激光二极管的外侧，与激光二极管的阳极连接；两个LD供电焊盘与驱动电源的正、负极分别连接；接地焊盘与外部地线连接；记录电极焊盘与神经信号采集系统连接；多条信号线将探针端部的多个记录电极点与多个记录电极焊盘分别连接；接地线与接地焊盘连接；两条LD供电线分别将两个LD键合焊盘与两个LD供电焊盘各自连接。


3.根据权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，其特征在于：所述的上绝缘层及下绝缘层的材料均采用PI；所述的光刺激层采用SU-8光刻胶。


4.根据权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，其特征在于：本发明用于神经记录和刺激的柔性神经光电极采用激光二极管作为刺激光源；激光二极管与LD安置槽底部的电磁屏蔽层通过ACF导电胶键合连接。


5.根据权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，其特征在于：所述的导电层采用为Cr/Au双层膜；Cr层的厚度为20纳米；Au层的厚度为200纳米。


6.根据权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极，其特征在于：所述的接地焊盘与外部地线连接；记录电极焊盘与神经信号采集系统连接。


7.如权利要求1所述的一种用于神经记录和刺激的柔性神经光电极的制备方法，其特征在于：S1：使用PI作为绝缘层，并在绝缘层上集成SU-8光波导来实现光刺激；绝缘层内的导电层中，使用地线和金属屏蔽层将激光二极管的供电导线包围起来，通过电磁屏蔽来降低激光二极管对记录通道的电磁干扰；
S2：利用LD安置槽实现激光二极管与探针上的光波导结构的对准，并通过ACF导电胶实现LD安置槽与LD键合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明浩，郭帮帮，程瑜华，杨文伟，陈颖，叶柳顺，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学温州研究院有限公司，杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33