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微納科學技術研究院

　　神經工程在揭示神經系統的工作機理以及神經疾病的治療和康復等方面具有重要意義。微電極陣列是神經系統與外界電子電路的接口，它的性能決定了整個神經系統的信號采集和刺激的效果。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。對比平面電極，具有較低的阻抗。

　　神經工程是神經科學、微電子技術、材料科學以及信息科學的交叉學科。在神經學科中，神經電極是神經工程系統中最關鍵部件之一，它起著記錄來自運動纖維的電信號和利用電信號激勵或抑制神經活動以實現功能性電刺激的重要作用，是外界電路與生物體的接口。由于神經細胞尺寸非常小，在神經組織和外界電子電路之間建立起有效和諧的接口是一項極具挑戰性的任務。隨著微電子技術和微加工能力的進步，人們開始將MEMS（微機電系統）技術引入到神經工程領域以克服該領域研究中的障礙，通過微加工工藝制作尺寸與神經細胞相當的微電極，，以獲得更可靠的記錄結果和更有效的刺激效果。目前常見的神經電極包括篩狀電極（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、微電極陣列的設計

　　對于植入式微電極，在電極植入生物體內后，往往要保留幾個月甚至幾十年，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定性。此外，由于電極與柔軟的神經組織接觸，必須具有很好的柔性以適應組織的表面形貌，以免對組織造成機械損傷。常用到的聚合物基底材料有PDMS，SU-8，Parylene，Polyimide等。近年來，Parylene 以其特有的優點已經逐漸取代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 具有更多的優點，包括它的無針孔涂覆，更低的液氣滲透率，良好的生物相容性，透明性和柔韌性，以及較好的機械強度等。

　　對于植入式微電極，電極材料也必須具有一定的生物相容性和穩定性，同時要考慮到電極在電流條件下在生物體內不被腐蝕。因此，電極材料往往選擇惰性貴重金屬，如鉑、金、銥、鎢等。另外，對于電極材料的選擇還要考慮工作中的能耗、穩定的電化學性質、穩定的阻抗和頻率響應特性等。對于電極引線，由于通常是通過絕緣材料和封裝結構包埋在電極主體結構的內部，不會直接與體液環境接觸，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，工藝過程簡單。通過一次濺射形成電極和導線，減小了采用不同金屬制備電極和引線時金屬間的接觸阻抗，能夠進一步減小電極阻抗。

　　利用光刻膠熱熔技術，設計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，這對于進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電極點的剖面示意圖。