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植入式柔性神经微电极的连接方法
发布时间:2021-01-15 19:17    文章作者:凯博国际

  0引言几个世纪以来,神经科学以及相关的工程研究一直是生命科学的热点领域。在神经工程系统中,电极是其中关键的部件之一,作为神经-电子接口,植入式电极在神经生物学的基础研究和神经疾患的治疗方面发挥着重要作用。一方面植入式电极可以将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析,以研究神经系统的工作机理;另一方面植入式电极可以利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激(functionalelectricalstimulation,FES),进行神经疾患的治疗。传统的植入式电极往往是采用金属丝或微玻璃管进行加工制作,但是,这类电极加工起来比较困难,对操作者个人技巧依赖性比较大,电极位点通量较低,且难以大批量制作。随着微电子技术和微加工能力的进步,人们开始将微机电系统(Micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)技术引入到神经工程领域以进一步减小植入式电极的体积、重量和功耗,由此可减小植入损伤,提高记录或刺激的选择性。目前,基于MEMS技术的植入式微电极已经在设计、材料、加工工艺和相关支撑技术方面得到了迅速发展,并得到了初步应用,比如针式微电极用于深脑刺激抑制帕金森病患者震颤,栅格微电极用于监测病人神经外科手术,植入式假体用于截瘫患者运动控制,人工耳蜗和人工视网膜用于患者听觉和视觉的部分康复等。这些基于MEMS技术的植入式微电极从基质材料上可以大致分为柔性和刚性两类。刚性微电极主要是基于硅基材料的,比如基于硅基的平面阵列电极、2-D杆状和3-D针状电极等,这类电有较好的生物相容性,且具有与CMOS的微电子加工工艺兼容的优势。但是材料的脆性和刚性容易导致被植入体运动时产生严重的组织损伤或者由于电极的移位而失去功能。因此为了减小电极对生物组织的损伤并确保微电极在活体中的稳定工作,越来越多的研究者开始偏向于采用聚合物,如聚酰亚胺(Polyimide)、聚对二甲苯(Parylene)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等,作为基底材料来制作柔性植入式微电极。这些聚合物材料不仅具有良好的生物相容性和微加工工艺兼容性,而且具有优良的机械性能和介电性质。

  但是如何实现这些柔性植入式微电极与外部记录或刺激装置的有效连接一直是一个比较棘手的问题。由于许多柔性植入式微电极(比如人工耳蜗和人工视网膜)往往需要同时有几十甚至上百个与外部设备相通的并行连接,如果利用常规的金属绞线来进行连接,所形成器件的体积相对于植入操作来说会非常的大,很难满足植入式电极体积小、重量轻的要求,因此,不少研究小组开始了基于微加工技术的微型薄膜互连线的开发。Stieglitz等人开发了一种MicroFlex技术,利用金丝球压焊机形成铆钉结构,将微加工的薄膜互连线的通孔焊盘与植入式芯片上焊盘连通。但是该技术利用压焊的机械力来实现两层金属焊盘的接触,容易形成虚焊的效果,可靠性难以保证;而且该技术需要有刚性的芯片做基底来实现压焊连接,如果直接对柔性器件压焊,则会在柔性器件上形成凹坑,造成金属层的剥离、脱落,不易实现有效可靠连接。

  为了实现植入式柔性神经微电极与外部记录或刺激装置的有效、可靠连接,本文提出了一种基于通孔电镀的植入式柔性神经微电极互连方法。该方法首先制作具有通孔结构的柔性互连膜,并将其通孔与待连接的植入式微电极焊接位点对准贴合,然后电镀生长导通金属柱,从而实现与待连接的植入式器件的柔性连接。后本文通过SEM观察、电学性能测试、机械强度测试以及生物相容性实验对此互连方法的效果进行了评价。

  1.设计概念植入式柔性神经微电极的互连方法基本设计概念如所示。该方案的主要思想是利用通孔结构结合电镀技术,实现柔性神经微电极和柔性互连膜的电互连。此设计借用PCB板制作中实现层间互连的通孔连接技术,首先将基于MEMS技术制作的柔性微电极和集成通孔结构的柔性互连膜对准(使电极焊接位点对准柔性互连膜通孔),然后利用光敏性粘结剂结合光刻工艺,实现两者的有效键合,后采用电镀技术在通孔结构中生长金属柱,实现柔性电极焊盘点金属层与柔性互连膜上金属层的电性连通。该方法工艺过程简单,与传统微电子工艺兼容,适于批量生产,可单次制作同时实现几十甚至上百个的并行连接,且可有效避免现有技术中互连易出现虚焊的缺点,同时由于柔性互连膜体积小、重量轻、易于集成,可大大减小植入损伤。

  2.工艺过程本方法的具体工艺过程可分成四大部分:柔性神经微电极及柔性互连膜的制作、对准键合、电镀和封装。


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