摘要：针对多通道柔性神经微电极的设计及制作，研究了微电极的加工工艺。采用一种新型的柔性聚合物材料——聚对二甲苯(parylene c)作为微电极的基底和绝缘材料，借助微细加工技术，制作了36通道(按6×6矩阵排列)的柔性神经微电极，微电极的尺寸分别为圣150弘m(圆形)和150肛mXl50弘m(方形)，电极引线线宽为30 tim。无论微电极为圆形或方形，表面均平整光滑、轮廓清晰。电学性能测试结果表明，l kHz时微电极的阻抗仅为7 kQ左右，且随着频率的增加，阻抗逐渐降低，呈明显高通特性。微电极加工质最较好，电学性能优良，实现了微电极和柔性基底的集成，有利于高效率批量制作，为视觉假体中柔性神经接口的研制奠定了基础。

    关键词：神经微电极}柔性基底；聚对二甲苯；微细加工

1引言

人工视觉是指在不同部位植入不同的视觉假体，由视觉假体产生电信号，刺激并激活视觉系统，从而产生神经冲动，使得失明或濒于失明的患者重新获得部分有用视力。根据视觉假体的植入及刺激部位的不同，视觉假体主要分为视皮层假体、视神经假体、视网膜假体三大类。对于外层光感受器受损而引发的视网膜病变，如与年龄有关的黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)等，目前在医学上还没有非常有效的治疗方案LIJ。研究表明：对于AMD和RP患者，即使光感受器被完全破坏，经过长时间的失明，黄斑部内层视网膜组织多数都保持完好，大部分神经元依然存在，并能成功地传导和处理适当的电刺激信号[2]。直接电刺激视网膜即采用视网膜假体，产生理想视觉的潜力较大，因此一直是国内外学者研究的热点。

神经微电极是植入式神经假体的关键部件，起着对神经进行电刺激并记录神经信号的作用。对于视网膜假体而言，神经微电极是植入视网膜区域，为视网膜神经细胞层提供特定形式电刺激的神经接口器件，其表面具有多个阵列式的金属材料微电极单元。采用柔性材料作为神经微电极的基底，能够减轻对周围神经组织所造成的植入损伤，同时柔韧度高，能够使接触面积最大化，达到有效刺激神经的目的。视网膜假体作为视网膜的修复物，用来治疗AMD和RP患者，有着极大的医学价值和应用前景¨‘]。

    由于具有优异的电学、化学和机械性能，以及良好的生物相容性和生物稳定性‘6引，聚对二甲苯(parylene)已被荚国药典(USP)列为町用于各种植入假体的第VI类医用塑料，基于parylene的植入式微系统也引起了，研究者广泛的重视。本研究小组已对基于parylene的柔性神经微电极进行了一定程度的研究圳，本文则侧重对微电极的具体加工工艺进行研究，以增加单位面积电极密度，简化工艺流程，并提高加工质量。

2实验

2．1微电极的设计及材料选择

    根据植入式视觉假体的特点，为了提高视觉的分辨率。微电极阵列需要达到一定的电极密度。针对视网膜电刺激的要求，设计了具有36个通道的平面微电极阵列(如图1所示)。对于圆形和方形结构瓜言，微电极加工的难易程度不同。另外，根据文献报道，微电极的尺寸和形状均会影响电刺激的阈值和效果。为此，本文采用圆形和方形两种设计方案，比较了两种微电极的加工质量好坏，并为后面微电极植入的电刺激研究打下基础。微电极按6×6方阵排布，电极形状为圆形和方形两种，尺寸分别为夺150肛m和150／zm×150 pm，电极间距为150肚m，金属互连引线线宽为30“m，长度约为1．5 cm。微电极前端刺激区域约为2．5mm×3．5 mm，后端焊点区域约为10．0mmX 6．0 mm，焊点尺寸为500／_tmX 500肛m。

    神经微电极植入生物体后，最关键的问题是微电极能否保持电刺激功能的长期稳定性，并尽可能减少对周围神经组织所造成的损伤，这就要求微电极首先要具有较好的生物相容性。从电极材料的角度讲，考虑到刺激电极必须能承受生物体内各种腐蚀液的长期侵蚀，这里选择惰性金属铂或金作为电极材料。从基底材料的角度讲，要求其不仅应具有较好的生物相容性，同时必须具有一定的机械强度，以抵抗生物组织自身移动所带来的机械应力。微电极的柔性基底材料主要有聚酰砸胺(polyimide)和parylene两种。由于具有优越的性能和独特的沉积工艺，parylene引起了众多学者越来越多的重视。目前最常用的parylene有三种：parylene-N、parylene—C和parylene—D，其主要性能列于表1中。本文选用电绝缘性能和机械性能都较好的parylene-C作为微电极的基底，加工中的支撑材料选用任意取向的单晶硅片。

    parylene-C通过独特的化学汽相沉积(CVD)聚合工艺制备而成，制备过程主要分三步：首先将parylene二聚体原料在蒸发腔内升温至175℃使其升华；第二步是升华后的二聚体气体进入裂解腔，在680℃左右的温度下。二聚体的分子键断开，产生活性的parylene单体，具体裂解过程如图2所示；最后parylene单体被送到室温的真空沉积室里，在工件表面进行聚合沉积。这种室温下沉积得到的parylene薄膜具有厚度均匀、致密无针孑L、透明无应力等优点，能够起到较好的电绝缘和隔离防护作用，同时避免了高温处理工艺，与常规MEMS工艺兼容性较好。

2．2徽电极的加工工艺流程

微电极制作过程的主要工艺流程如下(如图3所示)。

    (1)采用高温热氧化工艺，在硅片上沉积2肚m厚的SiO：。这层SiOz作为后面微电极释放过程的牺牲层，如图3(a)；

    (2)采用cVD聚合工艺沉积第一层parylene，厚度约8／zm，作为柔性微电极的基底和绝缘材料，如图3(b)；

    (3)旋涂正性光刻胶AZ4620，完成前烘、曝光、显影后，得到厚约10肚m的光刻胶掩模图案，如图3(c)；

    (4)采用磁控溅射法，首先沉积一层厚度约100 nm的金属铬(Cr)，用以提高与基底的结合力，再沉积200---300 nm的金，如图3(d)；

    (5)沉积完成后，采用剥离工艺(Lift—off)得到图形化的Au／Cr金属薄层，此Au／Cr金属薄层用作微电极的刺激位点、电极引线和引线焊点，如图3(e)；

    (6)在Au／Cr金属层上，沉积第二层parylene，厚度约5“m，用来封装电极，如图3(f)；

    (7)再次旋涂正性光刻胶AZ4620，完成前烘、曝光、显影后，得到厚约30／Lm的光刻胶掩模图案，如图3(g)。显影后在100℃下进行后烘处理，以提高抗蚀能力。这层光刻胶用作反应离子刻蚀工艺(RIE)中刻蚀parylene时的掩模层；

    (8)在氧气环境中，采用反应离子刻蚀技术(RIE)将电极位点和引线焊点上方的parylene刻蚀掉，从而暴露出导电窗口，如图3(h)；

(9)在稀释的HF溶液中将微电极从硅片上释放出来，完成整个微电极制作过程，如图3(i)。

2．3微电极的电学性能测试

    微电极电学性能需借助三电极测试装置[1…，通过电化学方法在电解质溶液中对微电极进行阻抗测试来初步评价。三电极系统包括参比电极、辅助电极和工作电极。本文采用Ag／AgCl电极(232型)作为参比电极，金属铂电极(218型)作为辅助电极，上述两种电极购自上海精密科学仪器有限公司(上海雷磁)。待测试的柔性微电极作为工作电极，测试前利用导电胶和50"m粗的铜丝将引线焊点和PCB板焊接起来，并引出外接导线。测试在生理盐水(0．9Vo的氯化钠溶液)中进行，以模仿牛物体液环境。实验中，将参比电极、辅助电极以及待测试柔性微电极均置于生理盐水中，两电极间距保持在2 cm以上。测试仪器采用Agilent 4294A精密阻抗分析仪，输出峰一峰值为50 mV，频率为40 Hz～1 MHz的正弦信号。

3结果与讨论

3．1微电极的表面形貌

    采用上述工艺制作出的柔性微电极样品实物如图4(a)所示，微电极的表面形貌如图4(b)和4(c)所示。从图中观察得出：无论电极为圆形或方形，微电极阵列中各电极单元均结构完整、轮廓清晰，电极表面平滑无裂痕。金属互连引线实测线宽接近30 tim，与设计值基本一致，且未发现断线现象。作为基底的parylene薄膜表面平整光洁、结构完好，能够起到较好的机械支撑和绝缘作用。

3．2微电极加工中的关键问题

3．2．1 Lift—off工艺

    Lift—off是微电极加工中的关键一步，其工艺技术的优劣直接影响到微电极的加工质量及成品率。微电极加工中I，ift—off工艺的具体过程是：通过光刻胶曝光显影后得到微电极图案，然后采用蒸发或溅射的方式沉积金属铂或金；沉积完成后，将片子在丙酮溶液中超声浸洗。由于正性光刻胶易溶于丙酮，沉积在其上方的金属同时被剥离掉，没有光刻胶保护的区域金属层被保留下来，构成微电极的电极位点、电极引线及引线焊点。本文中采用Au／Cr金属薄层作为微电极的电极位点、金属引线和引线焊点，同步设计并制作完成。Au／Cr金属层沉积后，有光刻胶保护的区域呈皱褶状，在丙酮溶液中易溶解掉。但如果旋涂了过薄的光刻胶，沉积的金属层在光刻胶图形边缘处容易粘连，会造成微电极边缘不齐整；而光刻胶若过厚，图形分辨率明显下降，从而加大工艺误差。因此，光刻胶厚度与金属层沉积厚度需要达到一个适宜的比值，才能得到较佳的金属层图案。经研究得出：对于300 nlTl的Au／Cr金属层而言，10lzm的AZ4620光刻胶完全能够满足Lift—off工艺的要求。

3．2．2氧等离子体反应离子刻蚀(R1E)

    Parylene-C的线性膨胀系数为3．5×10_5／℃，金属Al的线性膨胀系数为2．35×10_5／℃，两者非常接近，所以通常采用金属Al作为对parylene进行RIE时的掩模材料。但是刻蚀结束后，通常要在酸性腐蚀液中去除Al掩模层，由此将会对后续的工艺过程带来一定的影响。为此，本文尝试采用与parylene化学性质更为接近的光刻胶作为刻蚀掩模层。对于聚合物材料的刻蚀而言，RIE工作参数的选取非常重要，功率过高，容易造成聚合物的碳化、起泡，严重影响刻蚀效果。经过大量的研究，工作参数最后设定为：射频功率为30 W，工作压力为304 Pa，流量为40mL／min。由于在氧气中，光刻胶的刻蚀速率略大于parylene，对于13 tzm的parylene涂层而言，应采用30肛m厚的正性AZ4620光刻胶掩模层，来完成了顶层parylene的刻蚀。通过光学显微镜观察发现，在去除光刻胶掩模层前．光刻胶虽然

呈现出一定的波浪形起伏，但结构仍保持完整(如图5所示)，抗蚀性能完全能够满足工艺要求。去除掩模层后，发现parylene表面平整光洁，未出现起泡、裂纹等现象，且微电极及引线焊点能完全暴露出来，结构完整、边缘清晰，如图6所示。通过接触角测量发现，RIE刻蚀前后，parylene基底的接触角发生了明硅的变化，从4。增加至90。左右，亲水性能得到了较大程度的改善，进而提高了微电极的生物相容性。

3．2．3微电极的释放

    在之前的研究工作中[9]，作者曾经利用单晶硅片上一层自然氧化的Si0。层作为微电极释放过程的牺牲层。释放时采用氢氟酸：盐酸：水一5：15：100的混合溶液实现微电极从硅片上的剥离n1‘。后续研究中发现，由于自然氧化的SiO：层非常薄，仅几个微米，腐蚀液浸蚀速度较慢。本文对此进行了改进，采用湿氧工艺制得的SiOz作为牺牲层，在1％～2％的氢氟酸溶液中浸泡微电极2～3 rain，腐蚀掉SiO。，即完成了柔性微电极的释放过程。由于湿氧工艺获得的Si0。相对较为疏松，浸入氧氟酸很容易腐蚀掉，这在很大程度上降低了腐蚀液对柔性神经微电极可能造成的不良影响。此外，在实验中发现，底层pary|ene与Si0：牺牲层的结合不是非常好，在丙酮中长时间浸泡后，也町实现柔性微电极从硅基板上的剥离。

3．3微电极的电学性能

    神经微电极在植入式神经假体中主要起着对神经进行电刺激并记录神经信号的作用，这就要求微电极具有低阻抗、高电荷注入能力以及抵御生物体液环境腐蚀的能力等。为了初步评价所制作的柔性微电极的电学性能，采用0．9％的氯化钠溶液来模拟生物体液环境，对微电极在不同频率下的阻抗进行了测鼍。两种微电极的表面积相差不大。由此造成圆形和方形微电极的阻抗测试值相差较小。如将两种微电极植入生物体内，由于方形电极存在尖锐棱角，其生物相容性能和长期植入效果可能不如圆形电极，当然，这需要经过大量的动物实验才能得到较好的验证。图7给出了圆形柔性微电极的阻抗一频率谱图。从图中可以明显地看出，随着频率的增加，微电极的阻抗迅速下降，微电极呈现高通特性。在频率为l kHz时，微电极的阻抗仅为7 kQ左右。对于相对较为脆弱的视网膜而言，较低的阻抗能够有效地降低能耗，可极大减缓电刺激过程中微电极生热对视网膜神经组织所造成的热损伤，适合长期植入使用。此外，为了进一步降低微电极的阻抗，可以对微电极进行表面修饰，如电镀铂黑[1引，以增加微电极的表面积；或制作三维凸点式微电极r1 3。，以保证微电极与神经细胞问的良好接触，从而更加有效地提高电刺激效果。本研究小组将在后续的研究中对聚对二甲苯基柔性凸点微电极的加工工艺及性能进行深入细致的探讨。

4结论

本文采用parylene-C作为微电极的基底和绝缘材料，利用微细加工技术成功制作出了36通道(6×6)柔性神经微电极阵列，微电极的尺寸分别为由150弘m(圆形)和150弘mX150弘m(方形)，电极引线线宽为30”m。无论微电极为圆形或方形，表面均平整光滑、轮廓清晰。电学性能测试结果表明：1 kHz时微电极的阻抗仅为7 kQ左右，且随着频率的增加，阻抗逐渐降低，呈明显的高通特性。微电极采用微细加工技术流程化制作，实现了微电极和柔性基底的集成，便于高效率批量制作。微电极加工质嚣较好，电学性能优良，为视觉假体柔性神经接F1的研制奠定了基础