基于Parylene的球形凸起微电极阵列的研究

2010-01-06 芮岳峰上海交通大学微纳科学技术研究院

　　神经工程在揭示神经系统的工作机理以及神经疾病的治疗和康复等方面具有重要意义。微电极阵列是神经系统与外界电子电路的接口，它的性能决定了整个神经系统的信号采集和刺激的效果。本文提出了一种基于气相沉积Parylene 薄膜的球形微电极阵列。通过光刻胶热熔回流形成半球状凸起微电极，微电极阵列外部由Parylene 包裹，具有较好的柔韧性和生物兼容性。对比平面电极，具有较低的阻抗。

　　神经工程是神经科学、微电子技术、材料科学以及信息科学的交叉学科。在神经学科中，神经电极是神经工程系统中最关键部件之一，它起着记录来自运动纤维的电信号和利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激的重要作用，是外界电路与生物体的接口。由于神经细胞尺寸非常小，在神经组织和外界电子电路之间建立起有效和谐的接口是一项极具挑战性的任务。随着微电子技术和微加工能力的进步，人们开始将MEMS（微机电系统）技术引入到神经工程领域以克服该领域研究中的障碍，通过微加工工艺制作尺寸与神经细胞相当的微电极，，以获得更可靠的记录结果和更有效的刺激效果。目前常见的神经电极包括筛状电极（Sieve-Shaped Electrode）、卡肤电极（Cuff Electrode）、剑状电极（Shaft Electrode）及由剑状电极演变的梳状（Comb-like Multi-shanks）二维电极和针形电极阵列、平面微电极阵列等不同类型的电极。

1、微电极阵列的设计

　　对于植入式微电极，在电极植入生物体内后，往往要保留几个月甚至几十年，因此要维持电极的正常工作，电极的基底和封装材料必须具有很好的生物相容性和生物稳定性。此外，由于电极与柔软的神经组织接触，必须具有很好的柔性以适应组织的表面形貌，以免对组织造成机械损伤。常用到的聚合物基底材料有PDMS，SU-8，Parylene，Polyimide等。近年来，Parylene 以其特有的优点已经逐渐取代Polyimide 作为微电极的封装材料。相比与其他的聚合物封装材料，Parylene 具有更多的优点，包括它的无针孔涂覆，更低的液气渗透率，良好的生物相容性，透明性和柔韧性，以及较好的机械强度等。

　　对于植入式微电极，电极材料也必须具有一定的生物相容性和稳定性，同时要考虑到电极在电流条件下在生物体内不被腐蚀。因此，电极材料往往选择惰性贵重金属，如铂、金、铱、钨等。另外，对于电极材料的选择还要考虑工作中的能耗、稳定的电化学性质、稳定的阻抗和频率响应特性等。对于电极引线，由于通常是通过绝缘材料和封装结构包埋在电极主体结构的内部，不会直接与体液环境接触，因此材料的抗腐蚀特性和生物相容性不是主要考虑因素，主要考虑其电学特性、加工成本以及其加工过程与MEMS工艺的兼容性。

　　在电极制备过程中，选用金作为电极和引线材料，通过溅射工艺形成电极和引线，工艺过程简单。通过一次溅射形成电极和导线，减小了采用不同金属制备电极和引线时金属间的接触阻抗，能够进一步减小电极阻抗。

　　利用光刻胶热熔技术，设计了一种新型的半球形凸起三维电极。与圆柱形电极相比，在相同底面积的情况下，半球形电极能够使电极的有效接触面积增大2倍，这对于进一步减小电极阻抗有一定的作用。图1 是半球形凸起微电极阵列单个电极点的剖面示意图。