基于Parylene的球形凸起微電極陣列的研究

2010-01-06 芮岳峰上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院

　　神經(jīng)工程在揭示神經(jīng)系統(tǒng)的工作機(jī)理以及神經(jīng)疾病的治療和康復(fù)等方面具有重要意義。微電極陣列是神經(jīng)系統(tǒng)與外界電子電路的接口，它的性能決定了整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)采集和刺激的效果。本文提出了一種基于氣相沉積Parylene 薄膜的球形微電極陣列。通過光刻膠熱熔回流形成半球狀凸起微電極，微電極陣列外部由Parylene 包裹，具有較好的柔韌性和生物兼容性。對(duì)比平面電極，具有較低的阻抗。

　　神經(jīng)工程是神經(jīng)科學(xué)、微電子技術(shù)、材料科學(xué)以及信息科學(xué)的交叉學(xué)科。在神經(jīng)學(xué)科中，神經(jīng)電極是神經(jīng)工程系統(tǒng)中最關(guān)鍵部件之一，它起著記錄來(lái)自運(yùn)動(dòng)纖維的電信號(hào)和利用電信號(hào)激勵(lì)或抑制神經(jīng)活動(dòng)以實(shí)現(xiàn)功能性電刺激的重要作用，是外界電路與生物體的接口。由于神經(jīng)細(xì)胞尺寸非常小，在神經(jīng)組織和外界電子電路之間建立起有效和諧的接口是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。隨著微電子技術(shù)和微加工能力的進(jìn)步，人們開始將MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)引入到神經(jīng)工程領(lǐng)域以克服該領(lǐng)域研究中的障礙，通過微加工工藝制作尺寸與神經(jīng)細(xì)胞相當(dāng)?shù)奈㈦姌O，，以獲得更可靠的記錄結(jié)果和更有效的刺激效果。目前常見的神經(jīng)電極包括篩狀電極（Sieve-Shaped Electrode）、卡膚電極（Cuff Electrode）、劍狀電極（Shaft Electrode）及由劍狀電極演變的梳狀（Comb-like Multi-shanks）二維電極和針形電極陣列、平面微電極陣列等不同類型的電極。

1、微電極陣列的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于植入式微電極，在電極植入生物體內(nèi)后，往往要保留幾個(gè)月甚至幾十年，因此要維持電極的正常工作，電極的基底和封裝材料必須具有很好的生物相容性和生物穩(wěn)定性。此外，由于電極與柔軟的神經(jīng)組織接觸，必須具有很好的柔性以適應(yīng)組織的表面形貌，以免對(duì)組織造成機(jī)械損傷。常用到的聚合物基底材料有PDMS，SU-8，Parylene，Polyimide等。近年來(lái)，Parylene 以其特有的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸取代Polyimide 作為微電極的封裝材料。相比與其他的聚合物封裝材料，Parylene 具有更多的優(yōu)點(diǎn)，包括它的無(wú)針孔涂覆，更低的液氣滲透率，良好的生物相容性，透明性和柔韌性，以及較好的機(jī)械強(qiáng)度等。

　　對(duì)于植入式微電極，電極材料也必須具有一定的生物相容性和穩(wěn)定性，同時(shí)要考慮到電極在電流條件下在生物體內(nèi)不被腐蝕。因此，電極材料往往選擇惰性貴重金屬，如鉑、金、銥、鎢等。另外，對(duì)于電極材料的選擇還要考慮工作中的能耗、穩(wěn)定的電化學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定的阻抗和頻率響應(yīng)特性等。對(duì)于電極引線，由于通常是通過絕緣材料和封裝結(jié)構(gòu)包埋在電極主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，不會(huì)直接與體液環(huán)境接觸，因此材料的抗腐蝕特性和生物相容性不是主要考慮因素，主要考慮其電學(xué)特性、加工成本以及其加工過程與MEMS工藝的兼容性。

　　在電極制備過程中，選用金作為電極和引線材料，通過濺射工藝形成電極和引線，工藝過程簡(jiǎn)單。通過一次濺射形成電極和導(dǎo)線，減小了采用不同金屬制備電極和引線時(shí)金屬間的接觸阻抗，能夠進(jìn)一步減小電極阻抗。

　　利用光刻膠熱熔技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的半球形凸起三維電極。與圓柱形電極相比，在相同底面積的情況下，半球形電極能夠使電極的有效接觸面積增大2倍，這對(duì)于進(jìn)一步減小電極阻抗有一定的作用。圖1 是半球形凸起微電極陣列單個(gè)電極點(diǎn)的剖面示意圖。

圖1微電極陣列單個(gè)電極點(diǎn)的剖面示意圖　　圖2 微電極陣列的設(shè)計(jì)圖

　　設(shè)計(jì)了5×5的微電極陣列，初始電極直徑為50μm，電極間間距為600μm，刺激電極通過下埋導(dǎo)線與引腳電極相連，刺激器將通過引腳電極輸入刺激電信號(hào)。引腳電極尺寸寬為0.5mm，連接導(dǎo)線與刺激電極的互連線線寬為50μm，間距為100μm，圖2 是微電極陣列的設(shè)計(jì)圖。