电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列及其制备方法

摘要

本发明公开一种电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列及其制备方法，包括：微电极阵列结构层、电极电路层和微电极阵列覆盖层，电极电路层中设置有至少两列紧密排列且达到微加工精度间距的电极点，所述至少两列紧密排列的电极点切割为两个能相对滑动的模块，即第一和第二微电极阵列模块，这两模块相对滑动时形成更小的电极点间距。本发明利用两个模块相对滑动过程中，对于特定寻址的电极点，其电极点间距会最小变为原来的0.866倍，得到更高的分辨率，进而获得更好的电生理采集与刺激效果。另外，通过适当的滑动距离，还可以增大电极点间距，使该微电极阵列能够重复利用，在其他电极点间距进行电生理采集与刺激。

权利要求

1.一种电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，包括：依次设置并组成复合结构的微电极阵列结构层、电极电路层和微电极阵列覆盖层，所述微电极阵列覆盖层与待测组织直接接触，电极电路层中设置有至少两列紧密排列且达到微加工精度间距的电极点，且电极点的中心构成等边三角形的顶点；其特征在于，所述至少两列紧密排列的电极点切割为两个能相对滑动的模块，即第一微电极阵列模块和第二微电极阵列模块，这两模块相对滑动时形成更小的电极点间距。

2.根据权利要求1所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，其特征是，所述的第一微电极阵列模块和第二微电极阵列模块依附在硬质基底上。

3.根据权利要求1所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，其特征是，所述的微电极阵列电极点的半径为该微电极阵列微加工过程中的最高精度，即指光刻过程中能够获得的直径最小的圆，范围为0.01μm-100μm。

4.根据权利要求3所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，其特征是，相邻所述电极点的中心之间的距离，范围为0.04μm-400μm。

5.根据权利要求1所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，其特征是，所述的电极点之间的最小距离为滑动之前的相邻电极点中心之间的距离的0.866倍。

6.根据权利要求1所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，其特征是，所述的微电极阵列覆盖层覆盖于微电极阵列结构层上除电极点以外位置。

7.如权利要求1-6任一项所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先在Si片上甩正胶并图形化，溅射贵金属种子层，采用Lift-off工艺去光刻胶，图形化种子层，构成电极电路层；

然后再沉积Parylene-C，第二次把光刻胶图形化，使用反应离子刻蚀把Parylene-C刻穿，露出电极点，构成微电极阵列覆盖层；

Si片基底作为结构层，使用紫外激光把微电极阵列从两列紧密排列的电极点之间切割为两个模块，方便这两个模块的相对滑动。

8.如权利要求7所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列的制备方法，其特征在于，所述切割过程作为反应离子刻蚀步骤中的一部分来完成。

9.如权利要求7或8所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列的制备方法，其特征在于，所述两个滑动模块通过相同的方法独立制备。

说明书

电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种医用器械技术领域的微电极阵列，具体是一种面向电生理应用的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断进步，使得微电子设备和微传感器等微系统应用范围不断扩大，已广泛应用于多个领域，特别是医学领域。

[0003] 微电极阵列是利用微机电系统技术在生物医学方面的一个典型应用。微电极阵列是在基底表面点阵状排列的电极，常见的电极点直径最小为50μm，电极点间距最小为100μm，离体组织、细胞或者切片直接紧密地置于微电极阵列上，可以同步记录多个位点的细胞外场电位信号。微电极阵列既可记录也可用作刺激或者接地，适用于神经和肌细胞等可兴奋细胞的电生理特性和离子通道生物学特性研究。

[0004] 传统的微电极阵列包括贵金属材料的溅射、图形化，电气隔绝材料的沉积，电极点的开口等等。但是这种方法制备的微电极的电极点间距是固定的，如果需要改变微电极记录或者刺激的范围与精度，则需要重新制备。并且，有些情况需要调整电极点的间距来获得更优的记录或者刺激效果，这也是传统固定间距电极所不能的。再者，限于目前微加工工艺的加工精度，电极点间距的极限只能是大于等于加工精度，但是如果利用可变间距的电极阵列，就可以构造出超过加工精度的电极点间距，这则是超出传统固定间距电极能力的。

[0005] 经对现有技术的检索发现，Merriam，S.M.E.，O.Srivannavit等人在Journal of Microelectromechanical Systems 20(3)：594-600，2011撰文“AThree-Dimensional64-Site Folded Electrode Array Using Planar Fabrication”(一种三维64位可折叠电极阵列的平面制备)，该技术采用溅射、刻蚀等传统工艺实现了两个具有探针的平面电极，其中每个探针上有四个电极点，并且这两个平面电极可以折叠进而形成立体电极。这是一种相当复杂的电极结构，但是其每个探针上的四个电极点的相对位置却是固定的，不能适应电极点距离需要改变的实际情况。所以，在实际使用中，这种电极灵活性不足，应用起来受到较多限制。

[0006] 中国专利申请号为201110110285.0，公开号为CN 102178998A，该专利中公开了微电极阵列的三层结构即微电极阵列结构层、电极电路层、微电极阵列覆盖层，其中：电极电路层被微电极阵列结构层和微电极阵列覆盖层夹在中间。但也没有公开该微电极阵列的电极点间距也是可以调整的。

[0007] 美国专利号：US7,501,301，“Low cost fabrication of microelectrode arrays for cell-based biosensors and drug discovery methods”(以细胞为基础的生物传感器和药物发现方法的低成本微电极阵列制备)，该技术公开了一种涉及利用未经改性的印刷电路板(PCB)制造工艺和材料来低成本制备微电极阵列的方法。这种微电极阵列是由聚合物薄膜包覆图形化的导电线路构成的，并且可以在生物传感器和药物发现领域有很多应用。但是，该微电极阵列的电极点间距是固定的。例如不能通过改变电极点间距来改变生物传感器的某些性能。

[0008] 美国专利号：US6,896,780，“Microelectrode，microelectrode array and method for manufacturing the microelectrode”(微电极与微电极阵列的制备方法)，该技术公开了一种涉及微电极与微电极阵列制备的方法，并且该微电极的温度是可控的。该微电极由硅衬底上的一个密封腔中形成热隔离，密封腔中有一个微加热器，电极可以被微加热器间接的加热。但是，该微电极阵列的电极点间距也是固定的。

[0009] 综上，虽然微电极阵列的制备方法得到了比较详细的研究，并且微电极阵列的相关延伸功能也得到了一定的重视，但是文献中未见报道电极点间距可调整的，甚至可超过微加工精度的微电极阵列。

发明内容

[0010] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种面向电生理应用的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列及其制备方法，操作简便，能够使微电极阵列得到合理的重复利用。并且能够构造出超过微加工精度的电极点间距的微电极阵列，来获得更高的分辨率，进一步获得更优的记录或者刺激效果。

[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0012] 本发明所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列，包括：依次设置并组成复合结构的微电极阵列结构层、电极电路层和微电极阵列覆盖层，微电极阵列覆盖层与待测组织直接接触，电极电路层中设置有至少两列紧密排列且达到微加工精度间距的电极点，将所述电极点分为两个能相对滑动的模块，即第一微电极阵列模块和第二微电极阵列模块，这两部分相对滑动时形成更小的电极点间距。

[0013] 所述的微电极阵列覆盖层覆盖于微电极阵列结构层上除电极点以外位置。

[0014] 所述的第一微电极阵列模块和第二微电极阵列模块依附在硬质基底上。

[0015] 所述的微电极阵列电极点的半径为该微电极阵列微加工过程中的最高精度，即指光刻过程中能够获得的直径最小的圆，范围为0.01μm-100μm。

[0016] 所述的两个微电极阵列模块上的电极点的中心构成等边三角形的顶点。

[0017] 所述的相邻电极点中心之间的距离，范围为0.04μm-400μm。

[0018] 所述的电极点之间的最小距离由滑动之前的相邻电极点中心之间的距离变为该距离的0.866倍。

[0019] 所述的电极电路层中，仅电极点与待测组织直接接触并参与电生理采集、刺激。

[0020] 所述的达到微加工精度间距的电极点是指在电极电路层中电极点的间距达到了某种微加工精度的极限(例如10μm)。

[0021] 本发明利用这些电极点相互之间的配合得到超过该微加工精度的极限的电极点间距，具体为把两列紧密排列的电极点分为两部分，然后使这两部分相对滑动进而产生更小的电极点间距。相对滑动时，利用外部微动结构引导这两部分平行滑动，要尽量避免在垂直于电极平面的方向上滑动，从而保证电极点间距的精度。

[0022] 本发明所述的电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列的制备方法，具体包括如下步骤：

[0023] 首先在Si片上甩正胶并图形化，溅射贵金属种子层，采用Lift-off工艺去光刻胶，图形化种子层，构成电极电路层；

[0024] 然后再沉积Parylene-C，第二次把光刻胶图形化，使用反应离子刻蚀(RIE)把Parylene-C刻穿，露出电极点，构成微电极阵列覆盖层；

[0025] Si片基底作为结构层，使用紫外激光把微电极阵列从两列紧密排列的电极点之间切割为两个模块，方便这两个模块的相对滑动。

[0026] 上述方法中，切割过程也可以作为反应离子刻蚀步骤中的一部分来完成。

[0027] 上述方法中，两个滑动模块也可以通过相同的方法独立制备。

[0028] 本发明利用两个模块相对滑动过程中，对于特定寻址的电极点，其电极点间距会最小变为原来的0.866倍，得到更高的分辨率，进而获得更好的电生理采集与刺激效果。另外，通过适当的滑动距离，还可以增大电极点间距，使该微电极阵列能够重复利用，在其他电极点间距进行电生理采集与刺激。

[0029] 综上，本发明结构简单，使用方便，使用时只需要根据应用背景把微电极阵列两部分相对滑动，就可以获得的超过该微加工精度极限的电极点间距，进而获得更高的分辨率，实现更好的电生理信号的采集与刺激。

附图说明

[0030] 图1为本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0032] 实施例1

[0033] 所述微电极阵列的具体制备过程如下：

[0034] 首先在Si片上甩5μm的正胶并图形化，溅射贵金属(包括Pt、Ir、Au等)种子层，100-15000埃，采用Lift-off工艺去光刻胶，图形化种子层，构成电极电路层；

[0035] 然后再沉积5μm的Parylene-C，第二次把光刻胶图形化，使用反应离子刻蚀(RIE)把Parylene-C刻穿，露出电极点，构成微电极阵列覆盖层；

[0036] Si片基底作为结构层，使用紫外激光把微电极阵列从两列紧密排列的电极点之间切割为两个模块，方便这两个模块的相对滑动。

[0037] 本实施例中，切割过程也可以作为反应离子刻蚀步骤中的一部分来完成。

[0038] 本实施例中，这两个滑动模块也可以通过相同的方法独立制备。

[0039] 实施例2

[0040] 如图1所示，图中：切割好的第一微电极阵列模块1、切割好的第二微电极阵列模块2、、圆6、相邻电极点中心之间的距离7、高8、中垂点9、电极点中心与中垂点的距离10。

[0041] 本实施例包括：依次设置并组成复合结构的微电极阵列结构层、电极电路层和微电极阵列覆盖层，微电极阵列覆盖层与待测组织直接接触，电极电路层中设置有至少两列紧密排列且达到微加工精度间距的电极点。所述电极点三个电极点3、4、5分为两个能相对滑动的模块，即切割好的第一微电极阵列模块1、切割好的第二微电极阵列模块2，这两部分相对滑动时形成更小的电极点间距。

[0042] 本实施例中，所述的两个电极点3、4在切割好的第一微电极阵列模块1上，另一个电极点5在切割好的第二微电极阵列模块2上。所述的切割好的第一微电极阵列模块1和切割好的第二微电极阵列模块2依附在硬质基底上，方便相对滑动与插入组织深处。

[0043] 本实施例中，所述的第一个电极点3的半径为该微电极阵列微加工过程中的最高精度(一般指光刻过程中能够获得的直径最小的圆)，常见的范围为0.01μm-100μm。

[0044] 本实施例中，所述的三个电极点3、4、5的中心构成等边三角形的顶点。

[0045] 本实施例中，所述的圆6是指过距离电极点3中心最近的其它电极点中心的圆，即微加工过程中距离电极点3中心能够出现其它完整电极点的中心所构成的圆。

[0046] 本实施例中，所述的相邻电极点中心之间的距离7指的是圆6的半径，常见的范围为0.04μm-400μm。

[0047] 本实施例中，所述的高8指的是由最近的三个电极点中心构成的三角形的高。

[0048] 本实施例中，所述的中垂点9指的是由最近的三个电极点中心构成的三角形的中垂点。

[0049] 本实施例中，所述的微电极阵列覆盖层覆盖于微电极阵列结构层上除电极点以外位置。

[0050] 本实施例中，所述的电极电路层由电极点、连接线和与外围电路的连接点组成。

[0051] 本实施例中，所述的微电极阵列结构层的长度×宽度×厚度为5×5×0.001mm-150×150×1mm。

[0052] 本实施例中，所述的电极电路层中连接线宽为10nm-1000μm；电极点的横截面积2 2
为1μm-10000μm。

[0053] 本实施例中，所述的电极电路层中，仅电极点与待测组织直接接触并参与电生理采集、刺激。

[0054] 本实施例中，所述的微电极阵列覆盖层的长度×宽度×厚度为5×5×0.001mm-150×150×1mm。

[0055] 本实施例的工作原理为：为了获得超过微加工过程中的最高精度的电极点间距，切割好的第二微电极阵列模块2相对于切割好的第一微电极阵列模块1向左滑动，第二和第三电极点4与5之间的间距变小，并且当电极点5的中心到达中垂点9时达到最小，电极点之间的最小距离由滑动之前的相邻电极点中心之间的距离7变为该距离的0.866倍，即高8。整个滑动过程中的滑动距离为电极点中心与中垂点的距离10。如果保持电极点的寻址在第二和第三电极点4与5之间，则继续滑动将获得更大的电极点间距。另外，如果电极点的寻址改为在第一和第三电极点3与5之间，那么只需要把相对滑动的方向改为向右即可。

[0056] 如表1所示，本实施例的实际应用要求所用尺寸如表所示。

[0057] 表1电极点间距可调整的微电极阵列的一组典型设计参数

[0058]微电极阵列结构层(长度×宽度×厚度)(mm) 50×50×0.005
微电极阵列覆盖层(长度×宽度×厚度)(mm) 50×50×0.005
电极点3的半径(μm) 5
光刻过程中能够获得的最小圆的直径(μm) 10
圆6的半径(μm) 20
相邻电极点中心之间的距离7(μm) 20
高8(μm) 17.32
电极点中心与中垂点的距离10(μm) 10

[0059] 从以上实施例可以看出，本发明利用电极点间距可超过微加工精度的微电极阵列进行电生理信号的采集与刺激，相对于传统固定间距的微电极阵列，只需要把该微电极阵列的两个模块相对滑动就可以获得电极点间距超过微加工精度的微电极阵列，得到更高的分辨率，进而获得更好的电生理采集与刺激效果。另外，通过适当的滑动距离，还可以增大电极点间距，使该微电极阵列能够重复利用，在其他电极点间距进行电生理采集与刺激。

[0060] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。