具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列。现有的神经光电极大多采用贴片机将激光二极管和光波导进行直接耦合来实现光刺激。然而，这种光耦合方式使得激光二极管的对准困难且光损耗较大。此外，位于电极基部上方凸起的激光二极管也不利于神经光电极通过堆叠进行三维集成。本发明专利技术采用梯度折射率透镜对激光二极管的光束进行聚焦和准直，从而提高其与光波导之间的光耦合效率。另外，通过利用异平面电镀键合技术，实现了激光二极管在平面内无凸起的键合，解决了神经光电极的三维堆叠关键问题，为神经科学研究提供更为精准的神经调控工具。供更为精准的神经调控工具。供更为精准的神经调控工具。

A three-dimensional neural photoelectric electrode array with laser diode coupled optical waveguide structure

【技术实现步骤摘要】
具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列


[0001]本专利技术属于脑机接口
，具体涉及一种具有激光二极管耦合光波导结构的用于神经记录和光刺激的三维神经光电极阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]脑机接口智能系统是一个双向闭环系统，它不仅需要完成大脑信息的读取，还要进行计算机指令的写入。因此，作为关键器件的神经微电极通常需要同时具备记录(读)和刺激(写)的功能。传统的密西根电极或聚合物电极在进行电刺激时容易因为电极的极化对神经元造成损伤，且由于电流的分散特性导致其刺激空间分辨率较低。目前，基于光遗传学技术的神经光刺激可以有效解决以上难题。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。由于光线和病毒的作用范围可以限制在很小的区域内，这使得光刺激具有比电刺激更高的空间分辨率。因此，开展神经微电极阵列的光电多功能集成研究，对于实现高时空分辨率且双向闭环的神经调控具有重要意义。
[0003]为实现神经微电极阵列的光电多功能集成，目前常采用的办法就是将记录电极与光纤、光波导、LD(激光二极管)/LED(发光二极管)进行集成。早期的研究主要是通过将柔性神经微电极贴附在光纤表面来实现光刺激和电记录。然而，这些方法会造成光纤缠绕从而限制行为动物的自由移动。为避免使用光纤，美国伊利诺伊大学的J.A.Rogers教授团队将4个激光剥离蓝宝石基微LED转印到柔性聚合物探针上，实现了柔性可注射微LED光刺激功能[Kim T.,McCall J.G.,Jung Y.H.,et al.Injectable,cellular
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scale optoelectronics with applications for wireless optogenetics.Science,2013,340(6129):211
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6.]。天津大学的黄显教授团队将4个蓝光微LED集成到柔性聚合物探针上，同时实现了多个脑区的光/电刺激以及电生理信号和离子浓度的记录[Ling W.,Yu J.,Ma N.,et al.Flexible Electronics and Materials for Synchronized Stimulation and Monitoring in Multi
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Encephalic Regions[J].Advanced Functional Materials,2020:2002644.]。尽管微LED神经光电极的出现使其对神经元进行光刺激的灵活性得到了提高，但是有源器件的植入也在记录通道附近引入了噪声以及热损伤。为此，美国劳伦斯利福摩尔国家实验室的K.Kampasi团队利用柔性聚合物光波导将位于电极基部的LD发出的光引入到柔性探针的尖端进行光刺激[Kampasi K.,Alameda J.,Sahota S.,et al.Design and microfabrication strategies for thin
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film,flexible optical neural implant[C].Annual International Conference ofthe IEEE EMBC.IEEE,2020:4314
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4317.]。该柔性神经微电极的光波导由Cytop(全氟聚合物)包层和EpoCore(聚甲基丙烯酸甲酯基材料)芯层构成，通过与基部的LD进行耦合后可实现光刺激。LD耦合光波导结构可以避免有源器件植入带来的热损伤，但是这种直接耦合带来的光损耗较大，且凸起在电极基部上方的LD也不利于通过堆叠进行三维集成。本专利技术采用梯度折射率透镜来提高LD和光波导之间的光耦合效率，并利用LD的平面内键合技术，解决了神经光电极的三维集成关键问题。本专利的
技术实现思路
可为神经科学研究提供更为精准的神经调控工具。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有LD耦合光波导结构神经光电极的光耦合效率低且难以实现三维高密度集成的缺点，使用梯度折射率透镜作为LD和光波导之间的耦合介质来提高光耦合效率，并利用LD的异平面电镀工艺来实现光电极的三维高密度集成。通过三维多功能光电集成，同时提高神经光电极对神经元调控的时空分辨率的空间探测范围。
[0005]该具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，包括依次层叠设置的多个神经光电极；每个神经光电极均包括电极基部、并依次间隔排列设置的多个神经探针，以及安装在电极基部的侧部，且数量与神经探针的数量一致的光源模块。每个神经探针均设置有记录电极点和光刺激点；光刺激点通过光波导与对应的光源模块连接。
[0006]所述的光源模块包括光耦合基座、LD激光器和梯度折射率透镜。光耦合端口设置在光波导的端部。光耦合基座包括单晶硅层、氧化层和LD供电焊盘。单晶硅层与氧化层层叠设置。两个LD供电焊盘间隔设置在单晶硅层的外侧面上。两个LD供电焊盘均连接有电镀焊盘。单晶硅层的外侧面上设置有连接在一起的LD定位槽和透镜定位槽。LD定位槽位于两个电镀焊盘之间。
[0007]所述LD激光器、梯度折射率透镜分别安装在LD定位槽和透镜定位槽内。LD激光器的出光口与梯度折射率透镜的一端对接。梯度折射率透镜的另一端与对应的光波导通过光耦合端口耦合。LD激光器上的两个输入焊盘分别朝向LD定位槽的两侧壁，并留有间隙。位于LD激光器同一侧的输入焊盘与电镀焊盘通过电镀形成的金纳米颗粒导通。
[0008]作为优选，所述电极基部和多个神经探针为一体化结构，共同组成光电极主体；光电极主体包括依由下至上依次层叠设置的硅衬底、下绝缘层、记录导电层、上绝缘层和光刺激层。记录导电层位于下绝缘层和上绝缘层之间，其包括n组电连接的记录电极点、记录导线和记录焊盘结构；每组记录电极点、记录导线和记录焊盘结构中包括一个或多个记录电极点；光刺激层包括n条光波导。n为神经光电极上神经探针的数量。n个记录电极点分别位于n根神经探针的尖端；n条光波导的一端分别位于n根神经探针的尖端位置，形成神经探针的光刺激点；n条光波导的另一端分别延伸至电极基部，并与对应的光源模块耦合。
[0009]作为优选，各记录焊盘通过记录软排线引出。
[0010]作为优选，所述电极基部两侧边缘均设置有若干个插槽；各插槽的中间位置均设置有光耦合端口。插槽的数量与光源模块的数量一致；光源模块的端部设置有卡接凸起；光源模块的卡接凸起插接在电极基部的对应插槽上。透镜定位槽远离LD定位槽的端部贯穿卡接凸起，并与对应的光波导端部对齐。
[0011]作为优选，所述光源模块上的卡接凸起设置在光耦合基座的端部。
[0012]作为优选，所述LD供电焊盘通过刺激软排线引出。
[0013]作为优选，所述LD激光器具有长方体结构，其尺寸为600
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150
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90μm3。LD激光器的两个输入焊盘位于LD激光器的两个面积最大的相对侧面上。
[0014]作为优选，所述光波导的截面呈矩形，且截面积不大于1000本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，包括依次层叠设置的多个神经光电极；其特征在于：每个神经光电极均包括电极基部(2)、并依次间隔排列设置的多个神经探针(1)，以及安装在电极基部(2)的侧部，且数量与神经探针(1)的数量一致的光源模块(3)。每个神经探针(1)均设置有记录电极点(4)和光刺激点；光刺激点通过光波导(5)与对应的光源模块(3)连接。所述的光源模块(3)包括光耦合基座(8)、LD激光器(9)和梯度折射率透镜(10)。光耦合端口(6)设置在光波导(5)的端部。光耦合基座(8)包括单晶硅层(17)、氧化层(18)和LD供电焊盘(21)。单晶硅层(17)与氧化层(18)层叠设置。两个LD供电焊盘(21)间隔设置在单晶硅层(17)的外侧面上。两个LD供电焊盘(21)均连接有电镀焊盘(23)。单晶硅层(17)的外侧面上设置有连接在一起的LD定位槽(20)和透镜定位槽(19)。LD定位槽(20)位于两个电镀焊盘(23)之间。所述LD激光器(9)、梯度折射率透镜(10)分别安装在LD定位槽(20)和透镜定位槽(19)内。LD激光器(9)的出光口与梯度折射率透镜(10)的一端对接。梯度折射率透镜(10)的另一端与对应的光波导(5)通过光耦合端口(6)耦合。LD激光器(9)上的两个输入焊盘(22)分别朝向LD定位槽(20)的两侧壁，并留有间隙。位于LD激光器(9)同一侧的输入焊盘(22)与电镀焊盘(23)通过电镀形成的金纳米颗粒(24)导通。2.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述电极基部(2)和多个神经探针(1)为一体化结构，共同组成光电极主体；光电极主体包括依由下至上依次层叠设置的硅衬底(12)、下绝缘层(13)、记录导电层(14)、上绝缘层(15)和光刺激层(16)。记录导电层(14)位于下绝缘层(13)和上绝缘层(15)之间，其包括n组电连接的记录电极点(4)、记录导线和记录焊盘结构；光刺激层(16)包括n条光波导(5)。n为神经光电极上神经探针(1)的数量。n个记录电极点(4)分别位于n根神经探针(1)的尖端；n条光波导(5)的一端分别位于n根神经探针(1)的尖端位置，形成神经探针(1)的光刺激点；n条光波导(5)的另一端分别延伸至电极基部(2)，并与对应的光源模块(3)耦合。3.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述电极基部(2)两侧边缘均设置有若干个插槽；各插槽的中间位置均设置有光耦合端口(6)。插槽的数量与光源模块(3)的数量一致；光源模块(3)的端部设置有卡接凸起；光源模块(3)的卡接凸起插接在电极基部(2)的对应插槽上。透镜定位槽(19)远离LD定位槽(20)的端部贯穿卡接凸起，并与对应的光波导(5)端部对齐。4.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述光源模块(3)上的卡接凸起设置在光耦合基座(8)的端部。5.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列，其特征在于：所述LD激光器(9)具有长方体结构，其尺寸为600
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90μm3。LD激光器(9)的两个输入焊盘(22)位于LD激光器(9)的两个面积最大的相对侧面上。6.根据权利要求1所述的一种具有激光二极管耦合光波导结构的三维神经光电极阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明浩，金旻逸，樊晔，徐嘉辉，程瑜华，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，
类型：发明
国别省市：