皮层内植入式微针电极阵列装置的生产工艺及装置的制作方法

本发明涉及侵入式神经接口，具体涉及一种皮层内植入式微针电极阵列装置的生产工艺及装置。

背景技术：

1、植入式微针电极阵列是指可以植入生物体大脑皮层内部的，以微针电极阵列为载体采集脑内神经元发出的动作电位或神经元集群产生的局部场电位的一种侵入式神经电极。相较于非侵入式的体表电极和半侵入式的大脑皮层电极，植入式微针电极阵列在信号时空分辨率、信噪比、采集精度等方面具有显著优势，是实现高性能神经电信号采集的重要工具。

2、以硅基微针电极阵列为核心结构的犹他电极是侵入式神经接口的典型代表，其也是目前为止唯一通过美国食品药品监督管理局认证并且成功实现人脑内植入的侵入式神经电极。犹他电极采用硅基mems加工工艺，经过较长时间的发展，技术已经成熟，相关技术也已公开，已经在人脑内植入验证、神经电生理研究和脑机接口系统构建中展现了多项引人瞩目的成果。

3、但以硅基微针电极阵列为核心结构的犹他电极也存在着一些较难克服的问题，导致其目前主要只能应用于科学研究或临床试验场景，难以实现较大规模的市场推广和长时可靠的脑内植入。而现有的硅基微针电极阵列硅材料较脆、易发生折断，与大脑杨氏模量差距大、易产生刺激；并且硅基mems制造工艺极其复杂，工艺参数相关性高，且基于半导体批量加工工艺，难以针对不同具体需求实现个性化定制。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中硅基mems制造工艺复杂，难以针对不同具体需求实现个性化定制的缺陷，从而提供一种皮层内植入式微针电极阵列装置的生产工艺及皮层内植入式微针电极阵列装置。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了皮层内植入式微针电极阵列装置的生产工艺，包括以下步骤：

3、s1、衬底基板制造：通过机械加工、激光切割、铸造、注塑中的一种或几种工艺制造衬底基板，所述衬底基板上具有通孔阵列；

4、s2、加工电极互联结构：在s1制造的衬底基板上围绕其通孔加工电极互联结构以形成电极互联结构阵列，电极互联结构包括设于衬底基板上表面的上表面导电件、设于通孔内的中间导电件以及设于衬底基板下表面的下表面导电件，上表面导电件、中间导电件和下表面导电件电连接；

5、s3、微针电极阵列增材制造：通过增材制造技术在衬底基板的上表面自下而上构建多个绝缘微针电极基体并形成阵列；

6、s4、微针电极阵列导电层镀膜：对s3制造的绝缘微针电极基体的外表进行导电层镀膜，导电层自上而下至少覆盖绝缘微针电极基体的根部以使微针电极与s2的上表面导电件电学导通；

7、s5、绝缘层淀积与刻蚀：在步骤s2和s4中得到的导电层外层进行绝缘层沉积，并蚀刻微针电极尖端绝缘层。

8、可选地，所述步骤s2包括：

9、s21、制作上表面导电件：通过在衬底基板上表面淀积导电薄层以形成作为上表面导电件的上表面导电盘；

10、s22、制作下表面导电件：通过在衬底基板下表面淀积导电薄层以形成作为下表面导电件的下表面导电盘；

11、s23、制作中间导电件：将上导电盘和下导电盘的导电薄层向通孔内部延伸并实现孔内电学导通，使通孔变成作为中间导电件的导电孔。

12、可选地，

13、在步骤s21中，将具有第一孔阵列的第一掩膜板覆盖在衬底基板的上表面，第一掩膜板的第一孔至少将绝缘微针基体的根部和上表面导电盘所在区域露出，采用真空镀膜工艺，在第一掩膜板未遮挡部分淀积导电薄层；完成镀膜后撤去第一掩膜板，形成上表面导电盘；

14、和/或，在步骤s22中，具有第二孔阵列的第二掩膜板覆盖在衬底基板的下表面，第二掩膜板的第二孔至少将下表面导电盘所在区域露出，采用真空镀膜工艺，在第二掩膜板未遮挡部分淀积导电薄层；完成镀膜后撤去第二掩膜板，形成下表面导电盘；

15、和/或，在步骤s23中，通过电镀工艺将上导电盘和下导电盘的导电薄层向通孔内部延伸并填满通孔使导电孔成为实心孔。

16、可选地，在步骤s21中，当第一掩膜板覆盖在衬底基板的上表面时，第一掩膜板的第一孔将绝缘微针基体的根部、上表面导电盘所在区域以及通孔所在区域露出；

17、和/或，在步骤s22中，当第二掩膜板覆盖在衬底基板的下表面时，第二掩膜板的第二孔将下表面导电盘所在区域和通孔所在区域露出。

18、可选地，在步骤s3中，采用的增材制造技术为高精度3d打印技术。

19、可选地，在步骤s4中，将具有第三孔阵列的第三掩膜板嵌套覆盖在衬底基板的上表面，第三孔至少将绝缘微针电极基体的根部露出，采用真空镀膜工艺，在第三掩膜板未遮挡部分淀积导电薄层，以使导电薄层与s2的上表面导电件电学导通；完成镀膜后撤去第三掩膜板。

20、可选地，在步骤s4中，第三孔将绝缘微针电极基体的根部、上表面导电件所在区域以及中间导电件所在区域露出。

21、可选地，所述步骤s5包括：

22、s51、将无镂空结构的第四掩膜板覆盖在衬底基板的下表面，将衬底基板的下表面完全遮蔽，采用真空气相淀积工艺或提拉涂膜工艺在第四掩膜板未遮挡部分覆盖绝缘薄层；完成绝缘层淀积后撤去第四掩膜板；

23、s52、将具有第五孔阵列的第五掩膜板嵌套覆盖在微针电极阵列衬底基板的上表面，第五掩膜板仅暴露微针电极尖端局部，遮蔽其他所有表面，采用刻蚀工艺将暴露的微针电极尖端局部的绝缘薄层去除；完成刻蚀后撤去第五掩膜板。

24、本发明还提供了一种皮层内植入式微针电极阵列装置，包括

25、衬底基板，具有通孔阵列；

26、电极互联结构阵列，设置在所述衬底基板上，由多个电极互联结构组成，各所述电极互联结构之间电学不导通；所述电极互联结构包括设于所述衬底基板上表面的上表面导电件、设于通孔内的中间导电件以及设于所述衬底基板下表面的下表面导电件，所述中间导电件的两端分别与所述上表面导电件、下表面导电件电连接；

27、微针电极阵列，包括通过增材制造技术在所述衬底基板上表面自下而上构建多个绝缘微针电极基体、包覆在所述绝缘微针电极基体外层的微针导电层以及包覆在所述微针导电层外层及衬底基板上表面的微针绝缘层，所述微针导电层至少覆盖所述绝缘微针电极的根部以使所述微针导电层与所述上表面导电件电连接；所述微针电极尖端处的微针导电层从所述微针绝缘层露出。

28、可选地，多个绝缘微针电极基体通过高精度3d打印技术在所述衬底基板上构建。

29、可选地，所述微针电极尖端暴露部分导电面积与单个神经元尺寸相近。

30、可选地，所述微针电极的底部直径30-300μm，尖端直径小于50μm，长度100μm-10mm；和/或，相邻微针电极的中心距为200μm-1mm。

31、可选地，所述上表面导电件为通过在衬底基板上表面淀积导电薄层而形成的上表面导电盘；所述下表面导电件为通过在衬底基板下表面淀积导电薄层而形成的下表面导电盘；所述中间导电件为通过将上导电盘和下导电盘的导电薄层向通孔内部延伸并实现孔内电学导通的导电孔。

32、可选地，所述导电孔为通过电镀工艺将上导电盘和下导电盘的导电薄层向通孔内部延伸并填满通孔的实心孔。

33、可选地，所述通孔与所述绝缘微针电极基体上下对齐或错位设置。

34、可选地，所述衬底基板的材料为硅、玻璃、陶瓷、塑料中的一种或几种组合。

35、本发明技术方案，具有如下优点：

36、1.本发明提供的皮层内植入式微针电极阵列装置的生产工艺，通过机械加工、激光切割、铸造、注塑等工艺制造衬底基板，并对衬底基板先进行导电层镀膜，再进行微针电极阵列增材制造，通过此种方式可以根据需求，如不同病症、不同脑区等，对衬底基板的大小进行灵活定制，同时衬底基板上的微针电极阵列的长度、数目、布局、形状等也可适应改变；同时，此种工艺只需要通过增材制造技术加工微针电极阵列部分，有效减少了增材制造工序的加工工时，降低了制造成本，生产效率更高，并且，加工电极互联结构在微针电极增材制造工序之前，加工电极互联结构时工艺面为平面，避免受微针电极影响，可以降低工艺难度，提高制造良品率。

37、2.本发明提供的皮层内植入式微针电极阵列装置，包括衬底基板和由多个微针电极组成的微针电极阵列，具有足够的机械强度和远高于现有硅基植入式微针电极阵列的断裂韧性，足以轻松侵入大脑皮层，且断裂风险第，生物安全性大幅提升；还构建了微针电极的第一导电层、上导电盘、中间导电件和下导电盘形成的用于信号传导的通路，实现了微针电极阵列的信号采集和传导功能。

38、3.本发明提供的皮层内植入式微针电极阵列装置，通孔不局限于侧壁竖直的圆柱体，侧壁可为斜面或双曲面。当使用真空镀膜工艺制造孔内壁的导电层时，这一设计有利于镀层的台阶覆盖特性，增强上导电盘和下导电盘能够经通孔导通的可靠性。