技术领域
[0001] 本
发明涉及一种MEMS
脑机接口领域的器件，具体地说，涉及一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法。
背景技术
[0002] 随着神经科学研究的不断深入，需要对特定区域的某一类神经元进行选择性的激活或者抑制，这就需要神经微探针具有单个神经元
分辨率的记录与刺激功能。目前，通过降低电极点的尺寸已经可以实现微电极对于单个神经元的记录。然而，使用
电刺激的方法仍然难以实现对单个神经元的刺激。这主要是因为从电极点释放的
电流无法被有效的限制在目标神经元附近，从而使得电刺激的空间分辨率较低。最近，通过在刺激电极点周围设置一些地电极点，研究人员已经能够将刺激区域限制在地电极点围绕的范围内。然而，由于布设相应的地线会导致刺激电极点的布线空间减少，这种电极的空间分辨率依然难以达到单个神经元级别。最近，
光遗传学在神经功能环路研究方面的广泛应用使得微电极的刺激空间分辨率得到空前提高，这主要得益于光遗传学中基因表达的特异性。通过使用对特定
波长敏感的视蛋白对目标神经元进行
转染，可以实现对目标神经元的光刺激。由于可见光在脑组织内的衰减非常快，这使得刺激区域可以被限制在单个神经元的范围。因此，进行高
密度的三维光电集成是提高微电极记录与刺激的空间分辨率的有效方法。
[0003] 目前，P.Ruther和Euisik Yoon等人在论文“Ultracompact optrode with integrated laser diode chips and SU-8waveguides for optogenetic applications”和“Fiberless multicolor neural optoelectrode for in vivo circuit analysis”中都提出了集成LD的光电极制备方法。然而，这些论文中提出的LD的键合方法都需要使用专用的超声键合设备。而且，为了实现超声键合，还需要提前在微电极的焊盘上进行
镀金。这些约束使得LD的键合比较困难，且灵活性较差。此外，以上论文中提出的集成LD的光电极都没有进行三维集成。
发明内容
[0004] 针对
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种用于多脑区神经网络研究的可驱动型神经光电极阵列的制备方法，使用集成了微型LD/LED的光电极进行三维堆叠来实现光电极阵列的制备，一方面降低了光电极阵列的集成复杂度，另一方面也提高了光电极阵列的空间分辨率。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种可驱动型神经光电极阵列的制备方法，包括：
[0007] S1：使用微加工技术制备集成SU-8或氮
氧化
硅光
波导的硅基微电极；
[0008] S2：使用
各向异性导电胶膜ACF作为
焊料实现LD或LED与所述硅基微电极的键合，得到LD/LED耦合光波导电极；
[0009] S3：将LD/LED耦合光波导电极进行堆叠实现光电极的三维集成，得到三维光电极阵列；
[0010] S4：通过3D打印技术制备了一个微型驱动，将三维光电极阵列与微型驱动进行集成，通过调节微型驱动上的驱动螺杆实现光电极阵列在动物体内植入后的
位置调整能
力。
[0011] 优选地，所述S1中，使用微加工技术制备集成氮氧化硅光波导的硅基微电极，包括：
[0012] S101：使用
硅片作为微电极的衬底材料；所述硅片为SOI硅片；
[0013] S102：在硅片
正面沉积一层下绝缘层材料；
[0014] S103：在下绝缘层上生长一层金属层；
[0015] S104：使用平面
光刻技术将金属层图形化；
[0016] S105：沉积上绝缘层材料；
[0017] S106：溅射一层金属铬作为光波导的
刻蚀阻挡层；
[0018] S107：沉积一层氧化硅作为光波导的下包层；
[0019] S108：沉积一层氮氧化硅或者氮化硅作为光波导的芯层；
[0020] S109：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的芯层和包层图形化；
[0021] S110：湿法刻蚀去除上绝缘层上的金属铬；
[0022] S111：沉积一层氧化硅作为光波导的上包层；
[0023] S112：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将光波导的上包层和上绝缘层图形化以暴露出电极点和焊盘结构；
[0024] S113：使用光刻以及反应离子刻蚀技术将上包层以及上下绝缘层图形化以暴露出微电极的轮廓线；
[0025] S114：使用湿法刻蚀技术将电极点和焊盘上的金属铬去除；
[0026] S115：使用深硅刻蚀技术将顶层硅图形化，形成微电极的轮廓以及焊盘周围的凹槽；
[0027] S116：在硅片的背面溅射一层金属铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜；
[0028] S117：使用双面对准光刻技术将硅片背面的金属铬以及氧化层图形化；
[0029] S118：使用湿法刻蚀技术去除背面暴露的金属铬；
[0030] S119：使用反应离子刻蚀技术去除背面暴露的氧化层；
[0031] S120：使用深硅刻蚀技术将背面暴露出的硅刻蚀掉；
[0032] S121：使用反应离子刻蚀技术将埋氧层去除；
[0033] S122：将器件放入丙
酮中进行释放，得到集成氮氧化硅光波导的硅基微电极。
[0034] 更优选地，所述SOI硅片，其顶层硅，埋氧层和底层硅的厚度分别为30μm，2μm和450μm。
[0035] 更优选地，所述金属层为Cr/Au/Cr。
[0036] 更优选地，所述绝缘层为氮化硅/氧化硅。
[0037] 更优选地，所述光波导的包层为氧化硅，芯层为氮氧化硅。
[0038] 优选地，所述S1中，使用微加工技术制备集成SU-8光波导的硅基微电极，包括：
[0039] S101:使用
等离子体增强
化学气相沉积系统(PECVD)在硅片正面沉积一层下绝缘层材料，所述硅片为SOI硅片；
[0040] S102:在下绝缘层上溅射一层金属层作为导电层。
[0041] S103:使用光刻和离子束刻蚀设备将金属层图形化。此步形成电极点，
导线及焊盘。
[0042] S104:使用
等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积一层上绝缘层材料。
[0043] S105:使用光刻和反应离子刻蚀(RIE)将电极点和焊盘上的氧化层去除。
[0044] S106:使用光刻和离子刻蚀设备将上下绝缘层图形化。接着，使用深硅刻蚀设备将电极轮廓线以及凹槽轮廓线上的顶层硅去除。
[0045] S107:在硅片上甩一层SU-8
光刻胶，光刻后显影。此步形成SU-8光波导结构。
[0046] S108:使用溅射系统在SOI硅片的背面溅射一层铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜。
[0047] S109:使用光刻和湿法刻蚀去除暴露的铬，再使用反应离子刻蚀设备将暴露的氧化层去除。此步形成背面深硅刻蚀的硬掩模。
[0048] S110:使用深硅刻蚀技术将底层硅图形化。接着，使用反应离子刻蚀将埋氧层清除。此步实现探针减薄，并将光电极从衬底上分离，得到集成SU-8光波导的硅基微电极。
[0049] 更优选地，所述SOI硅片，其顶层硅、埋氧层和底层硅的厚度分别为30μm、2μm和450μm。
[0050] 更优选地，所述金属层为Cr/Au。
[0051] 更优选地，所述绝缘层为氧化硅。
[0052] 进一步的，所述S2，具体为：
[0053] S201：使用双面胶将光电极(集成了发光元件LE/LED的微电极)固定在
载玻片上；
[0054] S202：将一小段ACF贴附在光电极的焊盘上；
[0055] S203：将载玻片放在
热压机的载物台上，使压头与焊盘上的ACF对准并进行预压；
[0056] S204：将ACF的隔离膜去除，随后将光电极转移到焊线机的加热台上进行固定；
[0057] S205：使用焊线机的加热台将光电极升温到200℃以上使得ACF
熔化；
[0058] S206：使用焊线机的劈刀将LD/LED转移到光电极的焊盘上，并施加一定的压力使得LD/LED的焊盘能够充分
接触ACF中的导电粒子；
[0059] S207：再次使用焊线机的劈刀将LD/LED的位置进行微调，使得LD/LED的发射窗口能够直接耦合到光波导的截面上；
[0060] S208：将微电极转移到另一个加热台上冷却至室温，等待焊盘上的ACF
固化；
[0061] S209：使用焊线机将LD/LED上表面的焊盘与光电极的焊盘键合在一起，得到LD/LED耦合光波导电极。
[0062] 优选地，所用ACF型号为日立化学生产的型号为AC-7813KM-25，宽度为1.2mm。
[0063] 优选地，预压的压力为0.14MPa，
温度为140℃，热压时间为3s。
[0064] 进一步的，所述S3具体为：
[0065] S301：使用3D打印技术制备一个内部长宽和LD/LED耦合光波导电极基部相同的模具；
[0066] S302：将集成好的LD/LED耦合光波导电极以及
垫片放入模具中进行对准；
[0067] S303：轻压一下堆叠在一起的LD/LED耦合光波导电极以及垫片使其排列紧密，随后在LD/LED耦合光波导电极以及垫片的缝隙之间滴上胶
水进行固定，得到三维光电极阵列。
[0068] 进一步的，所述S4具体为：
[0069] S401：使用3D打印技术制备微型驱动的滑
块以及
外壳；
[0070] S402：使用一个柳钉、一个螺杆以及两个
螺母将滑块与外壳固定，使得滑块在螺杆的驱动下上下移动；
[0071] S403：将三维光电极阵列的探针插入微型驱动下方的导孔，并用胶水将三维光电极阵列的基部与滑块固定。
[0072] 与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：
[0073] 本发明具有极高的灵活性，操作方便和可靠性高。通过各向异性导电胶(ACF)实现了LD与光电极的倒装
焊接，这样可以避免需要进行焊盘镀金的超声键合过程，显著提高了LD集成的灵活性。
[0074] 本发明通过直接堆叠的方式实现了光电极阵列的三维集成，并使用一个3D打印的模具实现了光电极阵列的对准。这种三维集成方法可以通过垫片来调整光电极阵列的垂直间距，具有较高的灵活性。
[0075] 本发明将光电极阵列与微型驱动进行了集成，从而实现了光电极在多个脑区的植入以及术后位置的调整的能力。这大大提高了光电极阵列的空间分辨率以及使用寿命。
附图说明
[0076] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0077] 图1为本发明一实施例中光电极的工艺
流程图；
[0078] 图2为本发明一实施例中光电极与LD的键合流程示意图；
[0079] 图3为本发明一实施例中光电极与垫片进行直接堆叠的示意图；
[0080] 图4为本发明一实施例中光电极与垫片通过模具进行对准的示意图；
[0081] 图5为本发明一实施例中微型驱动的结构示意图。
具体实施方式
[0082] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0083] 本发明方法依据光遗传学以及神经科学对于光电集成的要求，通过ACF热压键合技术，实现了LD/LED与硅基微电极的热压键合；通过直接堆叠的方式实现了光波导电极的三维集成；最后，通过3D打印技术制备了一个微型驱动，可以用于实现光电极阵列在动物体内长期植入以及术后位置调整的能力，一方面降低了光电极阵列的集成复杂度，节省器件的工艺流程并提高工艺的可靠性，另一方面也提高了光电极阵列的空间分辨率。以下通过部分具体实施例来了解本发明技术方案的详细实现。
[0084] 实施例1
[0085] 1、光电极的制备：
[0086] 使用SOI硅片作为
传感器的衬底材料，将SOI分别放入丙酮，
乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中
烘烤3小时。
[0087] 如图1中(a)所示，使用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)在硅片正面沉积1μm氮化硅作为下绝缘层材料。
[0088] 如图1中(b)所示，在下绝缘层上溅射一层Cr/Au/Cr金属层作为导电层，Cr/Au/Cr金属层的厚度为30/300/100nm。
[0089] 如图1中(c)所示，在金属层上甩正胶(HJ4010)3μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用离子束刻蚀设备将金属层图形化。此步形成电极点，导线及焊盘。
[0090] 如图1中(d)所示，再次使用等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积0.5μm氧化硅作为上绝缘层材料。
[0091] 如图1中(e)所示，使用溅射系统在上绝缘层上沉积100nm的金属铬作为光波导的刻蚀阻挡层。
[0092] 如图1中(f)所示，使用PECVD在金属铬上先后沉积3μm的氧化硅和8μm的氮氧化硅作为光波导的下包层和芯层。
[0093] 如图1中(g)所示，在氮氧化硅上甩正胶15μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀(RIE)将光波导的下包层和芯层图形化。随后，使用湿法刻蚀技术将金属铬去除。
[0094] 如图1中(h)所示，使用PECVD在硅片上沉积3μm的氧化硅作为光波导的上包层。
[0095] 如图1中(i)所示，在硅片上甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀(RIE)将电极点和焊盘上的氧化层去除。随后，使用湿法刻蚀技术将电极点和焊盘上的金属铬去除。
[0096] 如图1中(j)所示，甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀设备将上包层和上下绝缘层图形化。接着，使用深硅刻蚀设备将电极轮廓线以及凹槽轮廓线上的顶层硅去除。
[0097] 如图1中(k)所示，使用溅射系统在SOI硅片的背面溅射100nm的铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜。
[0098] 如图1中(l)所示，在SOI背面甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用湿法刻蚀去除暴露的铬，再使用反应离子刻蚀设备将暴露的氧化层去除。此步形成背面深硅刻蚀的硬掩模。
[0099] 如图1中(m)所示，使用深硅刻蚀技术将底层硅图形化。接着，使用反应离子刻蚀将埋氧层清除。此步实现探针减薄，并将光电极从衬底上分离。
[0100] 2、LD与光电极的键合：
[0101] 通
过热压机进行预压使
各向异性导电胶膜ACF与光电极的焊盘贴附；通过焊线机或微操作仪实现LD或LED的转移，对准以及压焊；加热各向异性导电胶膜ACF使LD或LED与焊盘贴附，冷却使LD或LED的固化，得到集成LD/LED耦合光波导结构的光电极。
[0102] 如图2中(a)所示，使用双面胶将光电极固定在载玻片上；
[0103] 如图2中(b)所示，将一小段ACF贴附在光电极的焊盘上。然后，将载玻片放在热压机的载物台上，使压头与焊盘上的ACF对准并进行预压，预压的压力为0.14MPa，温度为140℃，热压时间为3s。预压完成后，将ACF的隔离膜揭下。
[0104] 如图2中(c)所示，将光电极转移到焊线机的加热台上进行固定。随后，将加热台的温度升高到200℃以上使得ACF熔化。使用焊线机的劈刀将LD转移到光电极的焊盘上，并施加一定的压力使得LD的焊盘能够充分接触ACF中的导电粒子。再次使用焊线机的劈刀将LD的位置进行微调，使得LD的发射窗口能够直接耦合到光波导的截面上。将光电极转移到另一个加热台上冷却至室温，等待焊盘上的ACF固化。
[0105] 如图2中(d)所示，使用焊线机将LD上表面的焊盘与光电极的焊盘连接在一起。
[0106] 如图2中(e)所示，为使用焊线机的劈刀实现LD的转移，对准以及压焊的过程示意图。
[0107] 如图2中(f)所示，为LD与光电极实现键合后的示意图。
[0108] 3、光电极的三维集成：
[0109] 首先，使用3D打印技术制备一个内部长宽和光电极基部相同的模具；接着，将集成好的光电极以及垫片放入模具中进行对准；然后，轻压一下堆叠在一起的光电极以及垫片使其排列紧密；最后，在光电极以及垫片的缝隙之间滴上胶水进行固定。本实施例中，可以通过深硅刻蚀技术制备具有空腔结构的垫片，该垫片用于调节上下层光电极的垂直间距，且垫片的空腔结构可以盖住LD或LED的键合结构并防止光泄露；通过一个长宽与光电极基部相同的模具实现不同层光电极以及垫片之间的对准。
[0110] 4、光电极与微型驱动的集成：
[0111] 首先，使用柳钉、螺杆和螺母将滑块与微型驱动的外壳固定。为实现滑块在螺杆的驱动下上下移动，将限位螺母与螺杆粘接在一起，将另一个螺母与滑块粘接在一起。接着，将光电极阵列的基部放入滑块的卡槽中并将探针插入微型驱动的导孔中进行固定。最后，使用一个
盖子将微型驱动的内部结构保护起来。
[0112] 如图3所示，为本实施例中光电极与垫片进行直接堆叠的示意图。
[0113] 如图4所示，为本实施例中光电极与垫片通过模具进行对准的示意图。
[0114] 如图5所示，为本实施例中微型驱动的结构示意图。将集成好的三维光电极阵列固定在微型驱动的滑块上，然后使用环氧
树脂胶水将微型驱动密封固定，从而实现用于多脑区神经网络研究的可驱动型神经光电极阵列的制备。
[0115] 实施例2
[0116] 光电极的制备同实施例1。
[0117] LD与光电极的键合：
[0118] 如图2中(a)所示，使用双面胶将光电极固定在载玻片上；
[0119] 如图2中(b)所示，将一小段ACF贴附在光电极的焊盘上。然后，将载玻片放在热压机的载物台上，使压头与焊盘上的ACF对准并进行预压，预压的压力为0.14MPa，温度为140℃，热压时间为3s。预压完成后，将ACF的隔离膜揭下。
[0120] 如图2中(c)所示，将光电极转移到焊线机的加热台上进行固定。随后，使用焊线机的劈刀将LD转移到光电极的焊盘上，并施加一定的压力使得LD与ACF充分接触。再次使用焊线机的劈刀将LD的位置进行微调，使得LD的发射窗口能够直接耦合到光波导的截面上。将光电极重新固定在载玻片上并转移到热压机的载物台上使得LD与压头对准，调整热压机的压力为0.1MPa，温度为140℃，热压时间为3s进行预压。完成预压后，在LD上垫上一层
铁氟龙
胶带，调整热压机的压力为0.14MPa，温度为240℃，热压时间为18s进行本压。
[0121] 如图2中(d)所示，使用焊线机将LD上表面的焊盘与光电极的焊盘连接在一起。
[0122] 光电极的三维集成以及与微型驱动的集成同实施例1。
[0123] 实施例3
[0124] 光电极的制备：
[0125] 使用SOI硅片作为传感器的衬底材料，将SOI分别放入丙酮，乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤3小时。
[0126] (a)使用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)在硅片正面沉积1μm氧化硅作为下绝缘层材料。
[0127] (b)在下绝缘层上溅射一层Cr/Au金属层作为导电层，Cr/Au金属层的厚度为30/300nm。
[0128] (c)在金属层上甩正胶(HJ4010)3μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用离子束刻蚀设备将金属层图形化。此步形成电极点，导线及焊盘。
[0129] (d)再次使用等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积1μm氧化硅作为上绝缘层材料。
[0130] (e)在硅片上甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀(RIE)将电极点和焊盘上的氧化层去除。
[0131] (f)甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀设备将上下绝缘层图形化。接着，使用深硅刻蚀设备将电极轮廓线以及凹槽轮廓线上的顶层硅去除。
[0132] (g)在硅片上甩SU-8光刻胶15μm，光刻后显影。此步形成SU-8光波导结构。
[0133] (h)使用溅射系统在SOI硅片的背面溅射100nm的铬作为背面深硅刻蚀的硬掩膜。
[0134] (i)在SOI背面甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用湿法刻蚀去除暴露的铬，再使用反应离子刻蚀设备将暴露的氧化层去除。此步形成背面深硅刻蚀的硬掩模。
[0135] (j)使用深硅刻蚀技术将底层硅图形化。接着，使用反应离子刻蚀将埋氧层清除。此步实现探针减薄，并将光电极从衬底上分离。
[0136] LD与光电极的键合同实施例1。
[0137] 光电极的三维集成以及与微型驱动的集成同实施例1。
[0138] 本发明上述实施例通过将热压机与焊线机进行巧妙地结合，成功实现了LD/LED的转移，对准以及焊接，显著提高了LD/LED键合的灵活性。此外，通过将微电极与软排线进行平面内键合，并设计出可以容纳LD/LED的垫片结构，实现了光电极阵列的三维堆叠。最后，通过3D打印技术制备了一个微型驱动，实现了光电极阵列在动物体内长期植入以及术后位置调整的能力。因此，这种新颖的三维光电极阵列的制备方法可以大大降低器件的集成成本，节省器件的工艺流程并提高工艺的可靠性。
[0139] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
