多通道微電極陣列及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多通道微電極陣列及其制作方法，針對現(xiàn)有的多通道微電極陣列存在的問題，通過模具內設置的若干個微米級通孔實現(xiàn)電極絲的精確排列，以排除各個通道的信號互相干擾的情況；模具內設置的通孔可以根據(jù)對多通道微電極陣列間距和通道數(shù)量的不同需要，相應地來變換其間距和通道數(shù)量，通孔的直徑最小可滿足100μm的電極絲穿入，通孔之間的最小間距可達250μm；電路板的線路可以根據(jù)電極絲直徑大小的變化，相應地調整，實現(xiàn)與電極絲的很好的連接；本發(fā)明的制作方法降低了制作多通道微電極陣列的工藝復雜度，進而降低了制作工藝的成本，并且提高了陣列的排列精度。
【專利說明】多通道微電極陣列及其制作方法
【技術領域】[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學【技術領域】，具體涉及一種應用于神經工程系統(tǒng)中的多通道微電極陣列及其制作方法。
【背景技術】
[0002]神經工程系統(tǒng)是目前一個非?；钴S且發(fā)展迅速的研究領域，比如腦機接口，神經假體等問題受到越來越多的關注，并且腦科學的快速發(fā)展也推動著相關科學研究儀器的快速發(fā)展。由于多通道微電極陣列(Multichannel-electrode array, MEA)具有記錄點多、密度高、體積小、電極對神經細胞損傷小等特點，已成為生物學實驗中主要的工具，特別是已成為在深入揭示神經系統(tǒng)工作機理、治療神經疾病和神經康復等方面的必不可少的重要工具，在生物學及生物醫(yī)學領域起著越來越大的作用，甚至在醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、康復治療、反生物恐怖主義等領域也有著潛在的應用價值。
[0003]如今已經商品化、并被廣泛應用的微電極陣列有兩類，一類是美國猶他大學開發(fā)的針形微電極陣列，即Utah電極；另一類是美國密歇根大學開發(fā)的線性微電極陣列，即Michigan電極。二者均為美國公司專利保護產品。Utah電極采用整塊硅片制作，在硅基底上用熱遷移法形成多個硅通道，形成多個細針，產生正方形電極針陣列。電極針尖端的信號采集部位為鉬金鍍層，電極其余部分和底托均用聚酰亞胺涂層絕緣，這種電極的特點是記錄點在電極針尖端絕緣層暴露處，位于同一個平面或斜面上，電極可記錄的深度比較淺，深度不可自由控制。多用于記錄大腦中樞神經系統(tǒng)淺表部位的神經電信號，也用于外周神經電刺激。
[0004]Michigan電極屬于薄膜電極，與集成電路制造相似，采用微電子制造技術，在硅或陶瓷材料為基底的薄片上，按照設計好的電極線路，噴鍍上導電金屬；或者在整個覆蓋有導電金屬層的印制板上，蝕刻去除不需要的部分，留下需要的電極線路，導電金屬可以是鎳、不銹鋼、鎢、金或鉬；除了記錄點以外，在其余連接記錄點和輸出端的導電線路上覆蓋絕緣層，常用的絕緣材料是氮化硅，為了增強導電性能和生物相容性，記錄點表面鍍上銥或金。Michigan電極記錄點的排列方式一般是在一個記錄桿上等間距線性排列一系列記錄點，因此被稱為線性電極陣列。
[0005]還有一種小池型的半導體多電極陣列，是在一個小池的底部制作高密度分布的測量點，一般只用于離體腦片或體外培養(yǎng)的神經細胞電信號檢測，不能用于在體檢測。
[0006]國內也有少數(shù)幾家科研單位在制作多通道電極陣列，具體參考文獻:“SunXiaona， Zhou Hongbo, Li Gang， etal.Fabrication of aflexible three-dimensionalneural microelectrode array.0ptics and Precision Engineering，2008，16 (8):1396-1402”和“周洪波，李剛，金慶輝等.神經工程系統(tǒng)中的微電極技術[J].微納電子技術，2006，11 (43):535—540”。
[0007]雖然以上幾種多通道微電極制作方法都取得了一定的效果，但是同時也存在許許多多的問題。Utah電極的缺點是:采用整塊單晶硅為材料，工藝復雜，成本高；電極針密度很高，對大腦的損傷很大，入腦深度不能太深，一旦固定好位置，以后的實驗過程中也不能移動，即一般只能記錄某一淺層深度的細胞反應；為了減小植入過程中對于組織的損傷，一般使用氣動沖擊器將電極快速打人腦組織，需要較高的實驗技能，否則很容易折損電極；雖然電極的強度很高，但不易清理，電極針損壞的幾率也很大，使用次數(shù)有限。Michigan電極雖然較Utah電極便宜，但強度不如Utah電極，比較脆，容易被折斷，大鼠這類小動物的硬腦膜也不能穿透；導電線路比較細，通常只作為記錄電極使用；記錄點排列在電極桿表面，電極在腦組織中行進時會損傷一些神經細胞，鄰近記錄點的神經細胞成活率低，因此，這類電極多用于場電位記錄，而不適于單細胞水平的研究。由于國內制作多通道微電極陣列的方法費時費力，且尚不能批量生產，具體制作工藝也復雜，成品率極低，成功率也極低，電極阻抗和信噪比也很難達到統(tǒng)一標準。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，提出了一種多通道微電極陣列。
[0009]本發(fā)明的技術方案為:一種多通道微電極陣列，具體包括:外部接口單元、電路板、模具和電極絲，其中，
[0010]所述電極絲用于從受體部位獲取電生理信號或傳遞電信號至受體部位；
[0011]所述模具內設置成若干個微米級通孔用于插入所述電極絲使得所述電極絲連接至所述電路板的線路上，所述電極絲的個數(shù)等于所述通孔的個數(shù)，并與通孔一一對應；
[0012]所述電路板與外部接口單元相連接，用于將電極絲從受體部位獲取的電生理信號傳送至外部接口單元或者將外部接口單元待傳送給電極絲的電信號傳送至電極絲。
[0013]進一步的，所述電路板為雙層電路板，每層電路板設有上下兩部分焊盤，其中，每層電路板的上端共有10個焊盤，下端共有8個焊盤；上端的10個焊盤中，兩邊的2個焊盤供接地使用，所述電路板的上端焊盤和下端焊盤都均勻分布在電路板上，其中下端每個焊盤和對應的電極絲一一相連，上端焊盤和外部接口單元相連，且下端每個焊盤的寬度大于上端焊盤的寬度。
[0014]進一步的，所述電路板為雙層電路板，焊盤均勻分布在電路板上，其中每層兩邊的兩個焊盤供接地用，除去兩邊的兩個焊盤外，其余焊盤的上端和外部接口單元相連，下端和直徑大于150um的電極絲相連。
[0015]基于上述多通道微電極陣列，本發(fā)明還提出了一種多通道微電極陣列的制作方法，具體為:
[0016]根據(jù)設計要求，確定多通道微電極陣列的通道數(shù)；根據(jù)確定的通道數(shù)制作設置有微米級通孔的模具，以及根據(jù)電極絲的直徑制作電路板；
[0017]將電極絲穿進模具內的通孔中，并按要求控制電極絲穿插進去的長度，模具內的通孔的排列控制電極絲的排列間距；
[0018]將模具通孔內穿插出的電極絲與電路板上的線路一一焊接到一起，實現(xiàn)電路板與電極絲的有效連接；
[0019]將外部接口單元與電路板對應焊接到一起，實現(xiàn)二者的有效連接。
[0020]本發(fā)明的有益效果:針對現(xiàn)有的多通道微電極陣列存在的問題，本發(fā)明的多通道微電極陣列及其制作方法具體通過模具內設置的若干個通孔實現(xiàn)電極絲的精確排列，以排除各個通道的信號互相干擾的情況；模具內設置的通孔可以根據(jù)對多通道微電極陣列間距和通道數(shù)量的不同需要，相應地來變換其間距和通道數(shù)量；電路板的線路可以根據(jù)電極絲直徑大小的變化，相應地調整，實現(xiàn)與電極絲的很好的連接。本發(fā)明的制作方法降低了制作多通道微電極陣列的工藝復雜度，進而降低了制作工藝的成本，并且提高了陣列的排列精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實施例中2*8通道微電極陣列結構示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明實施例中模具內的通孔結構示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明實施例中第一種電路板結構示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明實施例中第二種電路板結構示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明實施例中2*8通道微電極陣列封裝后的示意圖
[0026]圖6具體實例采用本發(fā)明實施例中的微電極陣列做視覺電生理實驗記錄細胞活動的示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和具體的實施對本發(fā)明做進一步的闡述。
[0028]本發(fā)明以現(xiàn)代生物學和生理學為基礎，利用微細加工的一些工藝，制作出多通道神經微電極陣列，本發(fā)明可廣泛應用于深入揭示神經系統(tǒng)工作機理、治療神經疾病和神經康復等方面。下面進行具體說明。
[0029]本發(fā)明實施例提供的多通道微電極陣列結構如圖1所示，具體包括:外部接口單元A、電路板B、模具C和電極絲D，其中，
[0030]所述電極絲D用于從受體部位獲取電生理信號或傳遞電信號至受體部位；
[0031 ] 所述模具C內設置成若干個微米級通孔用于插入所述電極絲D使得所述電極絲D連接至所述電路板B的線路上，所述電極絲D的個數(shù)等于所述通孔的個數(shù)，并與通孔一一對應；
[0032]所述電路板B與外部接口單元A相連接，用于將電極絲從受體部位獲取的電生理信號傳送至外部接口單元A或者將外部接口單元A待傳送給電極絲的電信號傳送至電極絲。
[0033]電路板B，提供了電極絲D和外接信號處理系統(tǒng)的電路，它可以根據(jù)D的直徑變化來做相應調整。電極絲D將采集到的信號，沿著電路板B和外部接口單元A到達外部的信號處理系統(tǒng)，或者外部信號沿著外部接口單元A和電路板B，再經電極絲D送至受體部位，給予受體刺激。
[0034]模具C內的通孔可以根據(jù)需要，調整成不同形狀、不同大小、不同孔徑、不同間距，如間距:250um、280um等,孔徑lOOum、125um等,通道2*4、2*8等,具體如圖2所示。
[0035]該模具是采用激光在石英板上打孔，該孔的直徑由電極絲直徑確定，例如采用直徑75um的電極絲，則孔的直徑則可以為IOOum (直徑應大于80um)，孔間距也可自由改動，根據(jù)實驗要求可定制，例如本實施例中采用的是孔間距250um。本模具的尺寸、上下行間距、孔直徑、孔間距，可根據(jù)實驗定制要求作相應改動，較為靈活，這也是此種方法的優(yōu)點。該模具可改為單行(排)，多行(排)等，根據(jù)實驗定制要求來制作。這里通孔的直徑最小可滿足IOOum的電極絲穿入,通孔之間的最小間距可達250um。
[0036]電極絲D是采集和傳送信號的重要部件，可以根據(jù)需要選擇不同材質的電極絲，如鎢絲、不銹鋼絲等。[0037]這里的多通道微電極陣列還包括環(huán)氧膠E，用于將外部接口單元A、電路板B和模具C封裝起來，封裝尺寸與外部接口單元A對齊。環(huán)氧膠E是封裝微電極陣列的重要材料，能減少外界干擾對電生理信號的影響。
[0038]圖1的結構是以16通道微電極陣列為例進行說明的，外部接口單元A上端共有20個接口，電路板B共為雙層一樣的結構。
[0039]當電極絲D直徑小于150um時米用如圖3的電路板,上端較窄部分和A相連,一面共10個線路，其中兩邊的2條線路接地。其余8條和下面的線路相連。背面相同。電路板寬度尺寸和A基本相齊，下端8條較寬電路一端和上端8條較窄電路對應相連，一面共8條線路，下端8條較寬電路的另一端和8條電極絲D對應相連，下端較寬電路是上端電路尺寸放大，由于電極絲直徑小于150um時，電極絲D和電路板不容易焊接，容易造成虛焊問題。為了解決此問題。下端8條較寬電路對尺寸進行放大，這樣就使得電極絲D和電路板容易焊接，并且大大降低虛焊問題。
[0040]當電極絲直徑大于150um時，采用如圖4所示的電路板，該電路板線路寬度都一樣，一面10條線路，其中上面的有2條(兩邊)是接地線路，沒有和下面相連，電路板尺寸寬度和A相齊，采用這種電路原因:主要是因為電極絲直徑大于150um時，較容易和電路板焊接，虛焊的情況較少，這種電路板結構簡單，降低了加工印刷電路板的難度，從而降低了成本。
[0041]本實施例提供的微電極陣列的通道數(shù)量，電極絲直徑，電極絲間距等參數(shù)也可以根據(jù)不同要求進行定制。
[0042]本實施里還提供了一種多通道微電極陣列的制作方法，具體為:
[0043]根據(jù)設計要求，確定多通道微電極陣列的通道數(shù)；根據(jù)確定的通道數(shù)制作設置有微米級通孔的模具C，以及根據(jù)電極絲D的直徑制作電路板B ；
[0044]將電極絲D穿進模具C內的通孔中，并按要求控制電極絲D穿插進去的長度，模具C內的通孔的排列控制電極絲的排列間距；
[0045]將模具C通孔內穿插出的電極絲與電路板B上的線路一一焊接到一起，實現(xiàn)電路板B與電極絲D的有效連接；
[0046]將外部接口單元A與電路板B對應焊接到一起，實現(xiàn)二者的有效連接。
[0047]上述方法還包括:利用環(huán)氧膠E，將外部接口單元A、電路板B和模具C封裝起來，封裝尺寸與外部接口單元A對齊。
[0048]本實施例提供的制作方法首先制作出能夠精確排列多根電極的模具，再根據(jù)多通道微電極陣列的硬件接口，設計并制作出電路板，并根據(jù)焊接要求實現(xiàn)電極的焊接，接著按照要求對多通道微電極進行尖端處理，最后對整個多通道微電極陣列進行絕緣處理和封裝，進而得到一個精度高、密度高、信噪比較好的多通道微電極陣列。
[0049]以視覺神經電生理實驗，記錄細胞活動為例來說明本實施例的多通道微電極陣列具體使用過程。
[0050]選擇一只5— 7斤重的健康貓，視力良好，實驗前一天停食停水，并完成實驗前各項準備。本實驗所用多通道神經微電極陣列，為2*8通道微電極陣列，間距為250um，電極絲采用的是美國A-M Systems生產的鎢絲，直徑為76.2um。
[0051]實驗開始，實驗所需物品備齊后，麻醉貓并給貓插上人工呼吸機的進氣管和出氣管，再插心電，打開心電檢測。將貓放在實驗平臺上，并且插上耳棒，調整屏幕與貓的間距為57cm。清洗眼睛，佩帶接觸鏡，擴瞳和收縮瞬膜，檢眼睛，使其中央凹落于屏幕中間位置。在特定位置開顱(17區(qū)或18區(qū))割腦膜，割腦膜的大小，應該比所用神經微電極尺寸稍大，使其剛好放入。將多通道微電極陣列放到定位儀夾持座上，調整多通道電極陣列的位置，夾持座連接氣動沖擊器，快速將多通道微電極陣列打入皮層內。
[0052]如圖6所示，接信號放大器，加屏蔽罩，放大器與多通道信號采集系統(tǒng)相連，打開多道信號采集系統(tǒng)，調整屏蔽、接地等使信號基線盡可能小，排除外界干擾，將無信號或不需采集處理的信號通道全部關閉，以減小記錄文件體積和信號處理速度。打開多通道信號處理程序和視覺刺激發(fā)生程序，準備開始正式實驗記錄。當某一通道微電極遇到對視覺刺激反應神經元時，神經元放電信號就會通過該多通道微電極陣列傳導出來，被信號采集系統(tǒng)捕獲，在屏幕上就會出現(xiàn)相應的放電波形，之后根據(jù)該神經元對不同視覺刺激特征的反應，就可以測出該神經元對不同視覺刺激的放電特性，如最優(yōu)方位、最優(yōu)空間頻率等，為下一步實驗特征分析研究，奠定基礎。
[0053]可以看出本實施例的電極陣列可滿足小動物神經電生理實驗的要求，硬度高，可直接穿透小動物軟腦膜，規(guī)則排列的電極絲可各自獨立地、同時采集最小范圍內的單個神經元的放電信號，且信噪比高。
[0054]本發(fā)明提供的多通道微電極陣列及其制作方法可以根據(jù)對多通道微電極陣列間距和通道數(shù)量的不同需要，相應地來變換其間距和通道數(shù)量；電路板的線路可以根據(jù)電極絲直徑大小的變化，相應地調整，實現(xiàn)與電極絲的很好的連接，降低了制作多通道微電極陣列的工藝復雜度，進而降低了制作工藝的成本，并且提高了陣列的排列精度。
[0055]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種多通道微電極陣列，具體包括:外部接口單元、電路板、模具和電極絲，其中， 所述電極絲用于從受體部位獲取電生理信號或傳遞電信號至受體部位； 所述模具內設置成若干個微米級通孔用于插入所述電極絲使得所述電極絲連接至所述電路板的線路上，所述電極絲的個數(shù)等于所述通孔的個數(shù)，并與通孔一一對應； 所述電路板與外部接口單元相連接，用于將電極絲從受體部位獲取的電生理信號傳送至外部接口單元或者將外部接口單元待傳送給電極絲的電信號傳送至電極絲。
2.根據(jù)權利要求1所述的多通道微電極陣列，其特征在于，還包括環(huán)氧膠，用于將外部接口單元、電路板和模具封裝起來。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的多通道微電極陣列，其特征在于，所述模具內通孔為單排或多排。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的多通道微電極陣列，其特征在于，所述通孔的直徑最小可滿足IOOum的電極絲穿入,通孔之間的最小間距為250um。
5.根據(jù)權利要求1或2或3所述的多通道微電極陣列，其特征在于，所述電極絲具體包括:鎢絲和不銹鋼絲。
6.根據(jù)權利要求1所述的多通 道微電極陣列，其特征在于，所述的通道具體為16通道，所述電極絲的直徑小于150um，所述電路板為雙層電路板，每層電路板設有上下兩部分焊盤，其中，每層電路板的上端共有10個焊盤，下端共有8個焊盤；上端的10個焊盤中，兩邊的2個焊盤供接地使用，所述電路板的上端焊盤和下端焊盤都均勻分布在電路板上，其中下端每個焊盤和對應的電極絲一一相連，上端焊盤和外部接口單元相連，且下端每個焊盤的寬度大于上端焊盤的寬度。
7.根據(jù)權利要求1所述的多通道微電極陣列，其特征在于，所述電路板為雙層電路板，焊盤均勻分布在電路板上，其中每層兩邊的兩個焊盤供接地用，除去兩邊的兩個焊盤外，其余焊盤的上端和外部接口單元相連，下端和直徑大于150um的電極絲相連。
8.—種多通道微電極陣列的制作方法，具體為: 根據(jù)設計要求，確定多通道微電極陣列的通道數(shù)；根據(jù)確定的通道數(shù)制作設置有微米級通孔的模具，以及根據(jù)電極絲的直徑制作電路板； 將電極絲穿進模具內的通孔中，并按要求控制電極絲穿插進去的長度，模具內的通孔的排列控制電極絲的排列間距； 將模具通孔內穿插出的電極絲與電路板上的線路一一焊接到一起，實現(xiàn)電路板與電極絲的有效連接； 將外部接口單元與電路板對應焊接到一起，實現(xiàn)二者的有效連接。
9.根據(jù)權利要求8所述的多通道微電極陣列的制作方法，其特征在于，還包括:利用環(huán)氧膠，將外部接口單元、電路板和模具封裝起來，封裝尺寸與外部接口單元對齊。
【文檔編號】A61B5/04GK103519808SQ201310429431
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王玲, 張艷山, 蔡永春, 顏紅梅 申請人:電子科技大學