基于Parylene的球形凸起微電極陣列的研究
神經(jīng)工程在揭示神經(jīng)系統的工作機理以及神經(jīng)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(jīng)系統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(guò)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(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)工程系統中最關(guān)鍵部件之一，它起著(zhù)記錄來(lái)自運動(dòng)纖維的電信號和利用電信號激勵或抑制神經(jīng)活動(dòng)以實(shí)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(jīng)細胞尺寸非常小，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極具挑戰性的任務(wù)。隨著(zhù)微電子技術(shù)和微加工能力的進(jìn)步，人們開(kāi)始將MEMS（微機電系統）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(guò)微加工工藝制作尺寸與神經(jīng)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(jiàn)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(lèi)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(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(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(shí)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(xué)性質(zhì)、穩定的阻抗和頻率響應特性等。對于電極引線(xiàn)，由于通常是通過(guò)絕緣材料和封裝結構包埋在電極主體結構的內部，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(guò)程與MEMS工藝的兼容性。
在電極制備過(guò)程中，選用金作為電極和引線(xiàn)材料，通過(guò)濺射工藝形成電極和引線(xiàn)，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。通過(guò)一次濺射形成電極和導線(xiàn)，減小了采用不同金屬制備電極和引線(xiàn)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(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 微電極陣列的設計圖
設計了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(guò)下埋導線(xiàn)與引腳電極相連，刺激器將通過(guò)引腳電極輸入刺激電信號。引腳電極尺寸寬為0.5mm，連接導線(xiàn)與刺激電極的互連線(xiàn)線(xiàn)寬為50μm，間距為100μm，圖2 是微電極陣列的設計圖。
2、微電極陣列的制作工藝
采用光刻膠熱熔技術(shù)，通過(guò)圖形轉移，并采用生物相容性材料Parylene C 薄膜包裹，再使用Parylene C 的反應離子刻蝕露出電極點(diǎn)，從而獲得了電極形貌為半球型的柔性生物微電極陣列。具體的工藝流程如圖3所示。
圖3 制備微電極陣列的工藝流程
