CN101204603B - 一种植入式mems生物电极及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式MEMS生物电极及其制备工艺，适用于临床医学中神经性疾病的康复治疗。电极采用MEMS加工技术在基底上制备图形化的刺激电极、记录电极和具有凹槽结构的电极电路引出端，通过化学气相沉积方法生长多层的防渗透绝缘层，用湿法腐蚀的方法腐蚀掉刺激电极、记录电极和电路引出端上的防渗透绝缘层，露出电极和电极引出端的金属薄膜；并结合电镀技术形成电极电路引出端的厚膜结构并实现和外接导线的可靠连接。电极的金属和绝缘层采用生物相容性很好的材料制备，在电极电路和外部导线连接后用生物聚氨酯封装刺激电极和记录电极以外的所有部分，使整个电极具有很好的生物相容性，适合长期植入人体内。
Description
技术领域
本发明属于微制造领域，特别涉及一种适于植入人体的MEMS生物电极及其制备方法，该电极主要用于临床医学中神经性疾病的长期性植入治疗。
背景技术
在临床医学中，对于治疗比较严重的神经性疾病，如帕金森综合症、视神经障碍、听力神经障碍、瘫痪和严重的癫痫症等等，常采用的最有效的方式是通过外科手术在患者脑深部长期植入电极，利用刺激器电池给电极供电，对患病部位进行刺激来进行治疗。现临床上所用植入人体的刺激电极为毫米环状电极，如美敦力公司所生产的系列产品，共有4个刺激电极，其直径为1.26毫米，每个电极长为1.5毫米左右，由于其尺寸较大，在植入人体时易对组织造成较大损害；功耗较大，刺激器电池的使用寿命相对较短，频繁的更换电池增加了患者的痛苦；成本昂贵，仅单侧植入费用约为10万人民币左右；该产品没有记录电极，在植入时不能精确定位，由于脑神经元细胞尺寸不大于100微米，因而采用刺激电极作为记录电极时会因其尺寸过大而定位不准。
随着MEMS技术的发展，用微加工技术制造微电极成为可能。国内外许多学者提出了不同的微电极结构及其制造方法。如K.D.Wise等人[Proceedings of the IEEE.92(2004)76-96]制备了Si基探针神经结构，该Si基探针式神经电极具有较高的强度，但其边缘形状过于锋利，只适合短期的刺激或者人体脑皮层使用，在植入脑深部组织时会造成组织损伤，不适合脑深部长期植入使用；Thomas Stieglitz等人[Sensors and ActuatorsB.83(2002)8-14]制作了柔性基底的植入式微电极，柔性基植入式微电极适合脑深部植入，对组织的损伤小，但由于其强度很低，不利于外科手术的操作；另外，美敦力公司的毫米环状电极和连接脉冲刺激器的导线之间采用熔融焊接金属的连接方式，这种方式显然不适合薄膜电极和导线之间的连接。
发明内容
针对现有的毫米电极和微电极所存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种以Si或者玻璃为基底材料、以铂或铂铱合金为电极材料，制备同时具备刺激电极和记录电极的植入式MEMS生物电极。该MEMS生物电极可以分别进行记录和刺激，适合于脑深部的长期植入。其制备方法采用基于微电子加工技术的溅射成膜工艺在光刻和刻蚀所形成的图形上进行生物相容性好的电极材料薄膜的制备，在电极之间的Si基底或者玻璃基底上和电极电路上沉积生物相容性好的多层防渗透绝缘材料，结合电镀工艺在电极电路的引出端形成厚膜工艺的同时实现外接导线和厚膜的连接，然后用生物聚氨酯材料对刺激电极和记录电极之外的所有区域进行封装。所得到的MEMS生物电极，可以作为神经性疾病导致的行为障碍的康复治疗，可作为长期植入人体的刺激/记录电极。
本发明的改进之处是采用微加工技术制作同时具有刺激电极和记录电极的单面或者双面结构的条状电极，采用生物相容性好的铂或者铂铱合金(如PtIr10)为电极材料，电极薄膜厚度为纳米级，记录电极尺寸小于20微米，刺激电极尺寸约500微米；在电极电路引出端位置采用体硅刻蚀工艺和薄膜增厚工艺如电镀等制作具有微米级厚度的厚膜，在制备厚膜的同时实现外接导线和电极电路厚膜的连接；刺激/记录电极的电路和基底用绝缘性、防渗透性和生物相容性都很好的多层材料如SiO2/Si3N4/SiO2进行掩蔽，利用具有一定柔韧性的生物高分子材料如聚氨酯将其封装成近似圆柱形。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种植入式MEMS生物电极，包括一基底，在基底上沉积有绝缘层、成形的刺激电极、记录电极以及防渗透绝缘层，其特征在于，所述的刺激电极、记录电极分别由基底上成形的电极电路和在基底一端形成的多个凹槽构成的电极电路引出端的金属层连接，刺激电极、记录电极和电极电路引出端外的所有结构表面上还覆盖有防渗透绝缘层。
上述植入式MEMS生物电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，首先采用光刻、湿法腐蚀的方法在基底上形成多个凹槽，构成电路引出端；
步骤二，用LPCVD的方法在基底以及凹槽表面生长一层绝缘层；
步骤三，采用金属溅射沉积或金属蒸发沉积和剥离的方法在基底上制作形成刺激电极和记录电极、电极电路和电极电路引出端的图形；
步骤四，用PECVD的方法生长多层生物相容性好的防渗透绝缘层；
步骤五，采用光刻和湿法腐蚀的方法刻蚀掉刺激电极、记录电极和电极的电路引出端表面上的防渗透绝缘层，露出刺激电极、记录电极和电路引出端；
步骤六，在电路引出端进行电镀，将要连接的外接导线一端剥掉绝缘层后放置在电路引出端的凹槽中，然后仅将电路引出端和外接导线置入电镀液中，以外接导线的另一端作为电镀的工作电极，在剥掉绝缘层的外接导线上生长金属，直至金属填满电路引出端的凹槽。
本发明与现有技术相比，其带来的技术特点是：利用微电子加工技术制备的微电极，同时具有刺激电极和记录电极，定位准确；整体尺寸较小，尽可能避免在外科植入时对组织的损伤；生产成本低，大大降低了外科手术植入的费用；利用体硅刻蚀工艺和厚膜技术如电镀等制备较厚的电极电路引出端，同时将外接导线直接连接在电极电路引出端的凹槽内，可实现电极和导线之间的可靠连接，有利于实现电极的长期性植入使用。
附图说明
图1～图8是本发明的植入式MEMS生物电极的制备工艺流程示意图。
其中：
图1是光刻和刻蚀工艺示意图；
图2是LPCVD工艺示意图；
图3第二次光刻工艺和金属沉积工艺示意图；
图4是剥离工艺示意图；
图4-a为图4的外貌轮廓图；
图5是PECVD工艺示意图；
图6是第三次光刻工艺和刻蚀工艺示意图；
图7是划片工艺示意图；
图8为电镀示意图；
图9为本发明植入式MEMS生物电极的整体结构图；
图9-a为图9中的A-A向视图。
图中的标号分别表示：1、基底，2、防渗透绝缘层，3、刺激电极，4、记录电极，5、电路引出端，6、第一次光刻胶，7、作为电路引出端6的凹槽，8、绝缘层，9、第二次光刻胶，10、金属层，11、电极电路，12、划片位置，13、外接导线，14、电镀用电源，15、电镀溶液，16、辅助电极。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明制备的植入式MEMS生物电极，包括一基底1，在基底1上沉积有绝缘层8、成形的刺激电极3、记录电极4以及防渗透绝缘层2，刺激电极3和记录电极4由基底1上设置的电极电路11和在基底1一端形成的多个凹槽7构成的电极引出端5连接，电极引出端5上覆盖有金属层10，刺激电极3、记录电极4和电极电路引出端5外的所有表面上还覆盖有防渗透绝缘层2。
基底1的材料未Si、玻璃等；防渗透绝缘层2的材料采用SiO2/Si3N4/SiO2等具有良好防渗透绝缘的生物多层膜；刺激电极3的尺寸为微米级，约500微米左右，材料为生物相容性很好的如铂或铂铱合金等，刺激电极3的数量可由需要来定，本实施例采用3个刺激电极；记录电极4的尺寸小于20微米，材料为生物相容性很好的如钛/铂或钛/铂铱合金等，其数量也由需要来定，本实施例采用4个记录电极；电路引出端5的数量由刺激电极3和记录电极4的总数量决定，本实施例的电路引出端5总共有7个，电路引出端5的材料和刺激电极、记录电极完全相同，如钛/铂或钛/铂铱合金等，通过覆盖在防渗透绝缘层2下的电极电路11分别和刺激电极3及记录电极4连接导通，其尺寸由连接刺激器的导线尺寸而定，其尺寸应比导线尺寸大约20微米～50微米；第一次光刻胶6和第二次光刻的光刻胶9的材料采用常用的光刻胶即可；防渗透绝缘层的材料选择SiO2；金属层10的材料选择生物相容性很好的如钛/铂或钛/铂铱合金等。
其制备工艺包括以下工艺的组合：光刻和刻蚀工艺(附图1)、LPCVD工艺(附图2)、第二次光刻工艺和金属沉积工艺(附图3)、剥离工艺(附图4和附图4-a)、PECVD工艺(附图5)、第三次光刻工艺和刻蚀工艺(附图6)、划片工艺(附图7)、电镀工艺(附图8)。
在本实施例中，为得到暴露在侧面的电极的电路引出端5的凹槽以便于进行后继的电镀工艺，在设计版图时，将2个MEMS电极图形设计在一起，划片时从两个MEMS电极之间的划片位置12上划开，即可得到所需的电极结构，如附图7所示。刺激电极3、记录电极4、防渗透绝缘层掩蔽下的电路11及电极电路引出端5的金属层都为生物相容性很好的导电材料，可为铂或者铂铱合金等材料；防渗透绝缘层2可为多层的SiO2/Si3N4/SiO2等材料；刺激电极2、记录电极3和电极的电路引出端5的数量可以根据具体需求来确定；本实施例为单面结构，也可为双面结构，由此可以构成其他多种实施例。
本实施例的具体实施过程如下：
(1)在基底1上涂覆第一次光刻胶6，前烘后进行光刻曝光，曝光后基底1上正胶中被光照的区域(或者负胶中未被光照的区域)在显影液中溶解后，得到电极的电路引出端5的图形；用刻蚀法刻蚀所得到的光刻胶图形中的基底1，在基底1上刻蚀出约100微米深的凹槽7，该凹槽7的结构作为后面的电路引出端5。刻蚀后去掉第一次光刻胶6。基底1可以是市售的Si片或者玻璃盘片，光刻胶可选市售常用光刻胶，刻蚀法可以选择的如干法刻蚀或者湿法腐蚀。
(2)LPCVD在基底1和凹槽7表面上均匀生长SiO2绝缘层8，厚度约为500纳米。SiO2层具有阻止杂质侵入的作用，是一种十分理想的电绝缘材料，化学性质非常稳定，同时又是一种生物相容性较好的材料，可作为电极电路的隔离介质或者绝缘介质材料。
(3)第二次光刻和沉积金属薄膜10。第二次涂光刻胶9，前烘后进行曝光、显影出刺激电极3、记录电极4、电极电路11和电路引出端5的凹槽7的图形，然后通过溅射工艺沉积金属膜10。
在微加工中，微电极材料选择如金、钛、铂及其合金。金是一种导电性很好的电极材料，其微加工性能也比较好，但其生物相容性较差；钛及其合金是一种生物相容性很好的材料，但作为电极材料，其阻抗较大；铂及其合金不但生物相容性很好，而且其阻抗较小，并且具有良好的抗腐蚀性能，如PtIr10合金等。本发明MEMS电极中所有的金属材料均选用铂或者铂合金制备。为增加金属和基底的结合力，采用钛/铂或者钛/铂铱合金多层金属层，钛膜厚度约为10～30纳米，铂或者铂铱合金膜的厚度约为200～400纳米。
(4)剥离第二次光刻胶9和其上的金属层(lift-off)。在光刻胶溶剂中溶解第二次光刻胶9，剥离掉第二次光刻胶9和其上的金属层(lift-off)，得到刺激电极3、记录电极4、电极电路11和电路引出端5的金属层图形。
(5)PECVD生成防渗透绝缘层2。为避免不同电极之间的导通、电极电路和外界之间的导通，电极的电路11之间采用一定材质的绝缘层进行掩蔽，SiO2是常用的绝缘薄膜材料，但在人体内长期使用时，生物环境中的Na+离子易于穿过SiO2薄膜，破坏膜的绝缘性；Si3N4薄膜密度较大，对Na+离子的阻挡能力强，可采用生物相容性好的多层薄膜结构如SiO2/Si3N4/SiO2等来防渗透和绝缘，其总厚度约为1微米左右。
(6)第三次光刻和刻蚀工艺。采用光刻和湿法腐蚀的方法刻蚀掉刺激电极3、记录电极4和电路引出端5上的防渗透绝缘层2，露出刺激电极3、记录电极4和电极的电路引出端5的金属薄膜。
(7)划片。从两个MEMS电极之间的中心线即划片位置12上划开，即可得到在侧面暴露电极电路引出端5凹槽的结构。
(8)电镀。将要连接的外接导线13如PtIr10合金一端剥掉绝缘层并放置在相应的电极电路引出端5的金属凹槽中，然后仅将电极的电路引出端5和外接导线置入电镀液15中，以将要连接的外接导线13的另一端为电镀的工作电极，在外接导线13剥掉绝缘层的端面上生长金属铂，直至铂填满电路引出端5的凹槽，直接将外接导线13连接在凹槽的金属层内，实现外接导线13和凹槽金属的可靠连接。
在微电子加工中，薄膜上导线的引出一般采用超声波压焊或者超声波热压焊点方法，主要适用于金、铜及铝等熔点相对较低的软金属类薄膜和导线的连接。本发明金属薄膜材料为铂或者铂铱合金，其熔点很高(纯铂约为1772℃，金约为1063℃)，且硬度很高，采用压焊无法实现铂和铂薄膜的连接；并且压焊焊接强度很低(只有几克力)，不能满足电极外科植入时对导线连接强度的要求。采用熔化焊的方式连接纳米级金属薄膜和导线，熔化焊的热源将会破坏金属薄膜，导致电路不能导通。本发明采用体硅工艺刻蚀形成较深凹槽，结合金属沉积和电镀技术，在电镀液中使电镀析出的金属铂在外接导线13上不断聚集生长直至填满凹槽，可实现可靠的连接。
Claims (7)
1.一种植入式MEMS生物电极，包括一基底(1)，在基底(1)上沉积有绝缘层(8)、成形的刺激电极(3)和记录电极(4)以及防渗透绝缘层(2)，其特征在于，所述的刺激电极(3)、记录电极(4)分别由基底(1)上设置的电极电路(11)和在基底(1)一端形成的多个凹槽(7)构成的电极引出端(5)连接，电极引出端(5)上覆盖有金属层(10)，刺激电极(3)和记录电极(4)以及电极电路引出端(5)外的所有结构上覆盖有防渗透绝缘层(2)。
2.如权利要求1所述的植入式MEMS生物电极，其特征在于，所述的金属层(10)为钛/铂或者钛/铂铱合金膜。
3.如权利要求1所述的植入式MEMS生物电极，其特征在于，所述的防渗透绝缘层(2)由SiO2薄膜和Si3N4薄膜组合构成。
4.如权利要求1所述的植入式MEMS生物电极，其特征在于，所述刺激电极(3)和记录电极(4)的表面低于防渗透绝缘层(2)，
5.权利要求1所述的植入式MEMS生物电极的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，首先采用光刻、湿法腐蚀的方法在基底(1)上形成多个凹槽(7)，构成电路引出端(5)；
步骤二，用LPCVD的方法在基底(1)以及凹槽(7)的区域表面生长一层绝缘层(8)；
步骤三，采用金属溅射沉积或金属蒸发沉积和剥离的方法在基底(1)上制作形成刺激电极(3)和记录电极(4)、电极电路(11)和电极电路引出端(5)的图形；
步骤四，用PECVD的方法生长多层生物相容性好的防渗透绝缘层(2)；
步骤五，采用光刻和湿法腐蚀的方法刻蚀掉刺激电极(3)、记录电极(4) 和电极的电路引出端(5)表面上的防渗透绝缘层(2)，露出刺激电极(3)、记录电极(4)和电路引出端(5)；
步骤六，对电路引出端(5)进行电镀，将要连接的外接导线(13)一端剥掉绝缘层后放置在电路引出端(5)的凹槽(7)中，然后仅将电路引出端(5)和外接导线(13)置入电镀液中，以外接导线(13)的另一端作为电镀的工作电极，在剥掉绝缘层的外接导线(13)上生长金属，直至金属填满电路引出端(5)的凹槽(7)。
6.如权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述的绝缘层(8)的材料为SiO2。
7.如权利要求5所述的工艺，其特征是，所述的电镀采用的金属材料为铂或者铂铱合金。
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