使用硅阵列孔装配微丝电极阵列的方法.pdf

本发明涉及微丝电极阵列的装配技术，特别涉及一种使用硅阵列孔装配微丝电极的技术。采用普通光刻和化学各向异性腐蚀的方法，能够制作具有高精度、低成本、孔径和排布方式可控的硅阵列孔，通过环氧树脂的固定来完成微丝电极的二维或三维装配。本方法适合小尺寸微丝电极阵列的组装及器件封装，阵列孔可以方便的根据微丝的半径、间距、排布方式等进行用户定制。

权利要求书
1.  一种使用硅阵列孔装配微丝电极阵列的方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择一表面晶向为100的硅片；
在所述硅片上制作出侧壁光滑的阵列孔；
根据电极植入深度确定微丝长度，将记录端削尖以记录信号；
将微丝垂直插入所述硅片的阵列孔，调节微丝记录端长度，并使每根微丝电极在垂直方向上互相平行，
在所述阵列孔背面涂覆环氧树脂，并置于烘箱中加热，用于将微丝电极阵列固定在阵列孔中；
将微丝电极阵列与外部电路相连；
在所述连接处涂覆环氧树脂并加热固化，实现绝缘并保持其机械性能稳定。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅阵列孔由普通光刻和化学湿法腐蚀方法制成。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微丝为不锈钢、钨、铂、铱金属丝之一，或为是所述金属的合金丝。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微丝表面涂有绝缘层，用于电隔离；所述记录端无绝缘层，用于记录信号。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定微丝和阵列孔的环氧树脂与微丝和硅材料形成接触。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微丝与外部电路的连接为导电胶粘覆，或为焊接。

7.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅阵列孔的直径大于微丝直径，以使微丝能够插入孔中。

说明书使用硅阵列孔装配微丝电极阵列的方法
技术领域
本发明涉及微丝电极阵列的装配技术，特别涉及一种使用硅阵列孔装配微丝电极的技术。
背景技术
人在思维时，大脑皮层会出现特定的电活动，这种电活动称为脑电。脑电信号的研究是了解人脑活动的机制、人的认知过程和诊断脑疾患的重要手段，也是实现人与外界通讯的新的途径。
为了深入了解大脑活动原理以及神经元之间的相互作用，我们需要有效的工具来实现对脑电信号的记录。MEMS工艺技术和微纳加工技术的进步已经促使我们制造出多种新型的神经信号记录电极，例如微丝电极、平面电极以及三维立体电极。硅基的平面电极和三维立体电极，制作成本高，工艺复杂，植入时需要特殊装置才可应用，因此限制了其广泛的应用。
从上世纪五十年代，David H.Hubel发表了使用钨丝微电极对独立神经元进行记录的方法，到现在TDT等公司出品16通道钨丝电极阵列，以及美国杜克大学Nicolelis实验室所使用的128通道的微丝电极阵列，目前看来微金属丝电极被证明是最有效的神经记录用电极，并且具有成本低，制作方法简单，生物相容性好等优点。
随着研究的进一步深入，为了提高记录效率以及满足研究的需要，多通道电极共同记录是大势所趋，这就需要相应的微丝电极阵列。1981年，美国科学家Kruger等人在间距250um的网格上，用陶瓷材料固定多个微电极成为多电极阵列，这种方法效率低，制作难度较大。现在实验中所使用的微金属丝电极阵列，普遍采用直接焊接在印刷电路板(PCB)上的方法，并使用环氧树脂固定以保持其间距。用于神经信号记录的微丝电极直径一般小于100μm，在制作过程中容易弯曲，且不容易固定位置，这就使得其成品率不高，器件一致性不好。
发明内容
本发明提出一种使用硅阵列孔装配微丝电极阵列的方法，针对微丝电极排布及定位，使用硅阵列孔作为基座，将微金属丝插入硅阵列孔，涂覆绝缘材料即可固定，微丝的间距等可以由用户定制。
具体的，本方法包括以下步骤：
选择一表面晶向为100的硅片；
在所述硅片上制作出侧壁光滑的阵列孔；
根据电极植入深度确定微丝长度，将记录端削尖以记录信号；
将微丝垂直插入所述硅片的阵列孔，调节微丝记录端长度，并使每根微丝电极在垂直方向上互相平行，
在所述阵列孔背面涂覆环氧树脂，并置于烘箱中加热，用于将微丝电极阵列固定在阵列孔中；
将微丝电极阵列与外部电路相连；
在所述连接处涂覆环氧树脂并加热固化，实现绝缘并保持其机械性能稳定。
进一步，所述硅阵列孔由普通光刻和化学湿法腐蚀方法制成。
进一步，所述微丝为不锈钢、钨、铂、铱金属丝之一，或为是所述金属的合金丝。
进一步，所述微丝表面涂有绝缘层，用于电隔离；所述记录端无绝缘层，用于记录信号。
进一步，所述固定微丝和阵列孔的环氧树脂与微丝和硅材料形成接触。
进一步，所述微丝与外部电路的连接为导电胶粘覆，或为焊接。
进一步，所述硅阵列孔的直径大于微丝直径，以使微丝能够插入孔中。
由于硅为半导体材料，其直接为器件提供了电隔离，并且由于硅具有良好的机械性能以及耐腐蚀耐热等环境稳定性好，该器件可以在多种条件下都能够稳定工作，例如生物体电解液环境。微丝的固定使用环氧树脂如glass fibre epoxy(FR4)，其一般为液态，能够平整的填涂于阵列孔中。由于硅阵列孔的工作温度为-60℃至150℃，在对环氧树脂进行加热固化的过程中能够保持稳定。
本方法适合小尺寸微丝电极阵列的组装及器件封装，阵列孔可以方便的根据微丝的半径、间距、排布方式等进行用户定制，实现二维或三维的电极阵列。
附图说明
图1是硅阵列孔板和微丝电极的示意图；
图2是将微丝电极放置于阵列孔中的示意图；
图3是将微丝电极固定在阵列孔中的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一、确定硅阵列孔尺寸。根据微丝的直径确定孔的尺寸，其尺寸应略大于微丝直径。硅单晶具有各向异性的特性，利用这一特性使用表面为(100)晶面的硅片，通过化学各向异性腐蚀的方法，能够制作具有精度高、侧壁光滑的阵列孔。由于硅晶片的(110)面与(111)面夹角为54.7°，因此阵列孔的开口大小和框架厚度即决定了腐蚀之后的孔的大小。孔的开口大小L与框架厚度h与微丝半径r的关系为：L＝2r+2h×c tan 54.7°，为了使阵列孔的框架有一定的强度，h取值为50um～100um。根据用户在实验中所需要的电极通道数目确定每块硅片上的孔的数目。比如，用户要用24通道电极阵列，则每个硅片上阵列孔数目为24个，阵列方式也可以由用户选择，比如4×6，3×8，2×12等，可委托加工。制成后的阵列孔示意图如附图1中标号2所示。
根据微金属丝的直径，可以对阵列孔的开口大小进行优化，如目前最常用到的直径为50um钨丝电极，则腐蚀后单个孔的开口应略大于50um，一般来说取55um～60um即可。金属丝阵列的的纵向和横向距离同样可以通过调整孔与孔之间的框架宽度来精确定制。阵列孔的数量一般为8、16、32、64，或根据实验中所需要电极通道数目来定制，将微丝垂直固定于阵列孔内能够实现三维电极阵列。阵列孔的边框如附图1中标号2所示，一般为500um～1mm，可以为微丝提供足够的支撑。
二、截取合适长度的微丝，如图1中标号1所示的部分分别在微丝的两端预留出所需的长度，削尖一端为植入端，根据实验过程中电极植入深度的需要预留微丝长度；另一端为与接口、前置处理器件等的连接端。
三、如附图2中所示，将微丝垂直插入标号3示意的孔内。调节好微丝记录端长度，使每根微丝电极在垂直方向即z轴上互相平行，微丝尖端记录信号的部分在同一水平面上。
四、在阵列孔背面的大方孔中涂覆环氧树脂，用以将微丝固定在孔内，保持其稳定性。这里所使用的环氧树脂，固化前为液态，粘稠度较低，能够良好的填涂于阵列孔内。
五、将器件置于烘箱中加热，使环氧树脂固化。如附图3中所示，标号4代表固化后的环氧树脂，这样电极阵列就能牢固的固定在阵列孔中，不会发生单个电极位置上的变动。
六、将微丝电极阵列与外部电路相连。用引线将微丝电极与外部的处理电路相连，可以使用导电胶或者焊接方法实现。由于微丝已经固定于阵列孔内，其连接端可以弯曲，而不会影响到植入端的平直程度。
七、在连接处涂覆环氧树脂并加热固化，实现绝缘，并保持其机械性能稳定。
前面已经具体描述了本发明的实施方案，应当理解，对于一个具有本技术领域的普通技能的人，在不背离本发明的范围的情况下，在上述的和在附加的权利要求中特别提出的本发明的范围内进行变化和调整能同样达到本发明的目的。