电镀焊接组装式神经微探针阵列的制作研究

论文摘要

神经电极广泛用于神经信号的探测和神经组织的刺激,甚至用于神经修复和神经假体,在神经科学中起着重要作用。随着神经科学的不断发展,人们对探测神经信号工具的要求也不断变化,探测神经信号或刺激神经组织的方式不同,需要的神经电极或探针的类型也有所不同。微电子工艺技术拓展了神经微电极的制作途径,神经微电极从原来的金属丝和玻璃管微电极,发展到了硅基微探针和基于高分子材料的微电极。本文提出了一种制作神经微探针阵列的新方法,把微探针与柔性互连线结合在一起。微探针有足够的硬度刺入神经组织,柔性互连线对神经组织的损伤小,两者的组合有利于神经探针阵列对神经信号的长期植入探测。微探针和柔性互连线分别制作后,创造性地采用电镀工艺把两者焊接在一起,完成整个神经微探针器件的制作,降低了焊接微探针的难度,提高了焊接效率,更有利于神经探针阵列的批量生产,制作成本也大大降低。本论文的主要工作具体概括为:1.提出微探针与柔性互连线组装制作神经微探针阵列的构想,实现了金属微探针与柔性互连线的电镀焊接组装,制作出了神经微探针阵列。设计制作了以聚酰亚胺为载体、铜为导线材料的柔性互连线,为了缩短互连线的制作周期,使其更适合工业批量生产,用制作柔性电路板的工艺方法制作出了互连线;用相应的金属线段作为金属探针,与柔性互连线组装在插槽上,并放进电镀液中进行电镀,使两者电镀焊接在一起。2.神经微探针的封装。用SU8封装金属探针的电镀焊接处,充分烘烤曝光SU8,提高金属探针与柔性互连线的结合强度;用聚对二甲苯封装整个器件,提高器件的生物兼容性,降低漏电和噪声;接着,用反应离子刻蚀去掉探针尖端的聚对二甲苯,露出针尖。3.神经微探针的电学表征。用阻抗分析仪测试微探针在生理盐水中的阻抗,不同探针通道的阻抗差别很大,测试信号1KHz时,总体阻抗在几百KΩ到几KΩ之间。阻抗过高的是由于针尖的聚对二甲苯没有刻蚀掉,针尖面积越大探针阻抗越小,探针的阻抗与针尖的露出量之间的具体关系,仍需要进一步的实验验证。4.神经微探针阵列在神经信号探测中的应用。选择电阻适当的探针进行了活体神经探测。在刺入白鼠的脑视觉区域中探针检测到的神经信号,证明了用这种新方法制作的神经微探针阵列可以用于神经信号的探测。5.神经微探针的改进构想。通过神经微探针阵列的应用,提出了需要改进方案,包括柔性互连线尺寸设计、布线类型、金属丝选择,以及探针接口设计等。同时,探索了便于大批量生产的基于玻璃衬底的组装式微探针阵列的制作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 神经系统的研究与神经电极
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 神经生物学基础
• 1.1.3 神经微探针在神经系统研究中的应用
• 1.2 神经微电极技术
• 1.2.1 神经微电极基础
• 1.2.2 微电极的加工技术
• 1.3 论文主要内容
• 第二章 电镀焊接组装式神经微探针阵列的设计与制作
• 2.1 电镀焊接组装式神经微探针阵列的构想与设计
• 2.2 柔性互连线的设计与制作
• 2.2.1 制作柔性互连线的材料与工艺
• 2.2.2 柔性互连线的设计与制作流程
• 2.2.3 制作的成品
• 2.3 金属探针与柔性互连线的组装焊接
• 2.3.1 金属探针与柔性互连线的组装
• 2.3.2 电镀焊接金属探针与柔性互连线
• 2.4 电镀焊接组装式神经微探针的封装
• 2.4.1 封装材料
• 2.4.2 封装工艺
• 2.5 小结
• 第三章 电镀焊接组装式神经微探针阵列的表征与应用
• 3.1 在生理盐水中表征微探针
• 3.2 生物活体神经信号的探测
• 3.2.1 测试前的准备
• 3.2.2 测试结果和分析
• 3.3 组装式神经探针的改进方案
• 3.4 微探针阵列替代单根金属丝探针的探索
• 3.4.1 基于玻璃的微探针阵列的设计
• 3.4.2 玻璃微探针阵列的制作工艺探索
• 3.5 小结
• 第四章 总结
• 参考文献
• 致谢