基于MEMS技术的硅微神经电极阵列的设计与制造

论文摘要

随着神经生理学和微机电系统技术（micro electronic mechanical system, MEMS）的发展,生物医学用检测仪器的微型化使其研究的范围已达到了细胞和分子水平。细胞携带并表达了生物医学研究领域所感兴趣的信息。细胞受到刺激后的反应表现为:动作电位的产生。通过在所关注的生物组织植入微电极就可以获取细胞通过电化学产生的生物电位。基于MEMS技术的硅微神经电极阵列（microelectrode array, MEA）可用于细胞外电位记录。作为一种体外检测的新型工具,其实质是使细胞通过一层薄的电解液与微电极阵列上的测点相耦合,通过细胞-电极接口,可将提取到的神经信号传递给前置放大器单元。该微电极阵列体积小,易加工,具有良好的物理和电学重复特性,可以广泛应用于神经生理学研究,包括:药物筛选、细胞生理分析、毒素检测、周围神经再生和环境监测,从而给神经修复、以及人工假体等研究领域带来了希望。论文提出了一种基于MEMS技术的三维微电极阵列的设计及制造方法。该微电极阵列可用于动作电位的细胞外检测。本论文的主要内容和贡献在于:1.建立细胞-电极电学耦合模型。通过研究神经细胞膜上离子通道的通透性和导电性,离子电流的特点及动作电势的形成,提出了电活性细胞-电极的电学耦合模型;从而为本文的设计提供了理论基础。也为实验结果的分析了重要依据。2.微电极阵列的结构设计。通过对几何尺寸（探针臂横截面形状、长度和宽度,探针臂上测点的尺寸和位置）的优化设计,确保探针能在刺穿生物组织过程中不断裂、不过度弯曲,同时还能提取到高质量的神经信号。最小几何尺寸、承受力的能力以及互连线间的串扰是设计中主要考虑的问题。3.三维微电极阵列的微加工。该电极阵列由一个微加工的硅基板、两片二维平面探针和一个隔板构成。探针通过插入基板上的槽通过隔板与基本保持正交。所有器件都是在同一块硅晶圆上采用MEMS加工工艺制作出来的,光刻技术和薄膜技术使微电极具有更加优越的物理和电学特性。4.三维微电极阵列的微组装。三维探针阵列的微组装意味着需要考虑两个问题:一是探针和基板的垂直互连,一是三维阵列与数据处理系统（DSP）的连接。前者是在多次引线键合实验的基础上实现的。而后者的解决是定制了一块PCB转接板,解决了排线由于尺寸过大不能与基板直接相连的问题。最后,SD大鼠实验提取到了理想的神经信号,表明整个系统是可用的,设计制作及装配是成功的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 论文主要内容
• 第二章 神经信号与神经电记录
• 2.1 神经细胞和组织的电学特性
• 2.1.1 细胞膜静息电位
• 2.1.2 细胞膜动作电位
• 2.2 神经电记录方式
• 2.3 本章小结
• 第三章 神经微电极介绍
• 3.1 神经微电极
• 3.1.1 电极基本概念
• 3.1.2 电极工作原理
• 3.2 整体系统设计
• 3.3 测量等效电路
• 3.4 本章小结
• 第四章 微电极阵列设计
• 4.1 微电极阵列材料选择
• 4.1.1 基底材料选择
• 4.1.2 电极材料选择
• 4.1.3 引线材料选择
• 4.1.4 钝化层材料选择
• 4.2 几何结构设计
• 4.2.1 探针臂长度和测点尺寸的设计分析
• 4.2.2 横截面的设计分析
• 4.2.3 探针臂宽度的设计分析
• 4.2.4 硅的断裂应力和探针强度的分析
• 4.2.5 结论
• 4.3 三维立体结构
• 4.4 本章小结
• 第五章 微加工工艺设计
• 5.1 微加工工艺概述
• 5.2 探针制作方案
• 5.3 制备过程
• 5.4 版图说明
• 5.5 本章小结
• 第六章 微组装
• 6.1 裂片和拾取
• 6.2 电特性测试
• 6.3 微电极阵列的立体组装
• 6.3.1 二维探针与基板的焊接
• 6.3.2 ASIC 芯片与基板的焊接
• 6.3.3 导线引出
• 6.4 本章小结
• 第七章 动物实验及数据分析
• 一、实验对象
• 二、实验药品、器具
• 三、实验过程
• 四、实验数据的记录与分析
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢