基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列及其制备方法

摘要

一种微机电技术领域的一种基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列及其制备方法，其电极阵列包括：固定夹具以及固定于内的若干层脑电图干电极，该脑电图干电极包括：金属电极微针及电路层以及位于其两侧的第二金属种子层和第二聚酰亚胺层，金属电极微针表面包覆惰性金属层，第一聚酰亚胺层是脑电图干电极的柔性衬底。本发明工艺简单，成品率高；电极的位置可根据应用要求改变其排列；采用金属作为电极主体，机械强度高、阻抗小，柔性衬底图形化质量高，生物相容性好；采用电极的多层组装并使用夹具固定，制成电极的立体阵列，容易固定且屏蔽佳。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的电极及其制备方法，具体是一种基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列及其制备方法。

背景技术

干电极主要用于脑电图的测量，可替代现有的基于湿电极的有线脑电采集设备。干电极可直接穿过皮肤角质层，克服角质层带来的高阻抗；受环境制约小，可进行快速、无痛的脑电信号采集。脑电图干电极制备技术的发展，将大大促进脑电技术面向大众的应用，从而改善和提高人们的生活水平。干电极要求具有一定的机械强度、生物相容性好、阻抗小、电极可根据需要进行排布、容易固定、对外界屏蔽佳等特点。聚酰亚胺以其绝缘性能佳、生物相容性好、富有柔性等特点被广泛的应用于生物微电极的封装材料。

经过对现有技术的检索发现，隋晓红等人在《传感技术学报》，2006，19(5)：1419中介绍了一种二维可植入式硅微电极的制备方法，采用化学气相沉积在(100)硅衬底上生长SiO₂作为针主体，用钛/金作探针、金属连线及焊点，最后用邻苯二酚-乙二胺-水(EPW)湿法刻蚀硅以释放器件。腐蚀液EPW有毒，不利于器件的生物相容性；以SiO₂作为针主体的电极较脆，容易折断，且表面不光滑，只适宜短期植入的急性实验。

Choi JW等在SICE-ICASE International Joint Conference 2006，Oct.18-21，2006 in Bexco，Busan，Korea：3678中报道了一种立体微针的制备方法，采用数字微镜(DMD，digitalMicromirror Device)进行基于像素的不等时曝光，从而达到立体光刻的效果，制备了尖锐程度不同的微针阵列。该工艺的效率较低，无法实现量产。

Lin CT等人在Proceedings of the IEEE，2008，96(7)：1167中采用硬掩膜对硅进行各向同性刻蚀来制作电极针尖，再用各向异性刻蚀制作电极的支柱部分，除去掩膜后在电极表面沉积金属。以这种方法制备的立体电极的针底部尺寸较小，且硅作为主体的电极较易折断；另外，直接制备的立体干电极没有相应的接插器，而使用传统焊接的方法容易产生虚焊，且焊点处牢度有限，使电极无法很好地与后续的相应设备进行连接。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列及其制备方法，制备所得电极具有器件能够自释放、工艺简单、成品率高、生物相容性好、屏蔽佳等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

第一步、在经过处理的基片表面涂覆黏附层，再在黏附层上溅射第一金属种子层。

所述的基片是指：玻璃或者硅基片。

所述的黏附层是指厚度为50-200μm的聚二甲基硅氧烷。

所述的第一金属种子层是指厚度为50-200nm的铬/铜金属。

第二步、在第一金属种子层上涂覆正胶，再依次以光刻法和电铸法制得金属牺牲层后，依次去除光刻胶和第一金属种子层至露出黏附层。

所述的金属牺牲层的厚度为20-50μm。

第三步、在金属牺牲层和露出的黏附层上涂覆聚酰亚胺酸，经热固化处理制成柔性衬底第一聚酰亚胺层，再通过抛光机打磨第一聚酰亚胺层至露出金属牺牲层。

所述的第一聚酰亚胺层比金属牺牲层高1-5μm。

第四步、在第一聚酰亚胺层上溅射第二金属种子层，然后在其上涂覆正胶，通过光刻法和电铸法制备得到金属电极微针及电路层后，依次去除光刻胶和第二金属种子层，露出第一聚酰亚胺层和金属牺牲层。

所述的第二金属种子层是指厚度为50-200nm的铬/铜金属。

所述的金属电极微针及电路层的厚度为28-70μm，线宽为50-200μm，微针长度为200-500μm，针尖比例为1∶1至1∶2。

第五步、在金属电极微针及电路层、露出的第一聚酰亚胺层和金属牺牲层上涂覆聚酰亚胺酸，经前烘处理后，涂覆正胶，通过光刻法与显影液刻蚀聚酰亚胺酸对其进行图形化，去除全部光刻胶，热固化处理制成第二聚酰亚胺层。

所述的第二聚酰亚胺层的厚度为5-20μm，该第二聚酰亚胺层的形状与第一聚酰亚胺层相同。

所述的热固化处理是指：采用80℃、110℃、150℃、270℃的阶梯升温法进行加热固化。

第六步、去除金属牺牲层以及金属牺牲层下的第一金属种子层，实现第一聚酰亚胺层的图形化以及电极微针悬臂梁结构的释放。

第七步、通过电镀法将电极微针表面镀上惰性金属保护层，将片子置于无水乙醇中使聚二甲基硅氧烷黏附层溶胀，表面失去活性，将器件从基片上剥离，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极。

所述的惰性金属保护层厚度为0.5-1.5μm。

第八步、将释放后的脑电图干电极经过多层组装至夹具后两端采用螺丝固定，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列。

所述的多层是指4-10层。

所述的夹具为组合式结构或整体式结构，该夹具与电极的贴合面形状与第一聚酰亚胺层相同。

所述的螺丝是指直径为1.5-2.5mm的尼龙螺丝。

本发明涉及上述方法制备得到的脑电图干电极阵列，包括：固定夹具以及固定于内的若干层脑电图干电极，该脑电图干电极包括：金属电极微针及电路层以及位于其两侧的第二金属种子层和第二聚酰亚胺层，金属电极微针表面包覆惰性金属层，第一聚酰亚胺层是脑电图干电极的柔性衬底。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)利用了抛光机打磨、光刻、电铸的方法进行柔性衬底图形化，工艺简单，成品率高；(2)电极的位置可根据应用要求改变其排列；(3)采用金属作为电极主体，机械强度高、阻抗小；(4)采用金属牺牲层工艺实现柔性衬底图形化，柔性衬底图形化质量高；(5)采用聚酰亚胺和金等生物相容性材料，生物相容性好；(6)采用电极的多层组装并使用夹具固定，制成电极的立体阵列，容易固定且屏蔽佳。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

其中：1基片、2黏附层、3第一金属种子层、4金属牺牲层、5第一聚酰亚胺层、6第二金属种子层、7金属电极微针及电路层、8第二聚酰亚胺层、9惰性金属层、10夹具、11固定螺丝。

图2为实施例电极截面图；

其中：5第一聚酰亚胺层、6第二金属种子层、7金属电极微针及电路层、8第二聚酰亚胺层、9惰性金属层、10夹具、11固定螺丝。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

实施例1

脑电图干电极阵列结构参数：玻璃基片，聚二甲基硅氧烷黏附层厚度50μm，生物微电极总厚度55μm，镍电极微针和电路层厚度28μm，线宽50μm，微针长度200μm，针尖比例1∶1，金保护层厚度0.5μm，采用10层组装，夹具为组合式，尼龙螺丝直径为1.5mm。

如图1所示，本实施例制备过程如下：

(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷黏附层的制备

采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理：用碳酸钙粉末、丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃烘箱中烘干3小时。然后在基片上涂覆厚度为50μm厚的聚二甲基硅氧烷黏附层2，转速为2000rpm，在260℃真空炉下进行2小时固化。随后在聚二甲基硅氧烷黏附层2上溅射50nm的第一铬/铜金属种子层3。

(2)金属牺牲层的制备

在第一铬/铜金属种子层3上涂覆厚度为20μm的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为180秒，显影时间为170秒，电铸厚度20μm的铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属种子层3。

(3)第一聚酰亚胺层的制备

在铜金属牺牲层4和露出的聚二甲基硅氧烷黏附层2上涂覆厚度为25μm的聚酰亚胺酸，转速为1500rpm，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化处理制成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨第一聚酰亚胺层5至露出铜金属牺牲层4。

(4)金属电极微针及电路层的制备

在第一聚酰亚胺层5上溅射50nm的第二铬/铜金属种子层6，然后在其上涂覆30μm厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为230秒，显影时间为240秒，电铸厚度28μm、线宽50μm的镍金属电极微针及电路层7，微针长度200μm，针尖比例1∶1。用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第二铬/铜金属种子层6，露出第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4。

(5)第二聚酰亚胺层的制备

在镍金属电极微针及电路层7、露出的第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4上涂覆厚度为5μm的聚酰亚胺酸，转速为3000rpm，在135℃烘箱中前烘30分钟。涂覆5μm厚的正胶AZ4620，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为90秒，显影时间为240秒(因样品底部不平，需增加曝光时间，采用显影液刻蚀聚酰亚胺酸，需增加显影时间)。用丙酮去除光刻胶，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化处理制成第二聚酰亚胺层8。

(6)金属牺牲层的去除

用氨水、双氧水混合溶液去除铜金属牺牲层4，高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除铜金属牺牲层4下方的第一铬/铜金属种子层3中的铬，实现第一聚酰亚胺层的图形化以及电极微针悬臂梁结构的释放。

(7)惰性金属保护层的制备及器件剥离

使用脉冲电流电镀厚度0.5μm的金保护层9，将片子置于无水乙醇中使聚二甲基硅氧烷黏附层2溶胀，表面失去活性，然后将器件从基片上剥离，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极。

(8)器件的多层组装

将10片释放后的器件叠加，组装于组合式夹具10内，用直径1.5mm的尼龙螺丝11固定，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列。

实施例2

生物微电极阵列结构参数：玻璃基片，聚二甲基硅氧烷黏附层厚度200μm，生物微电极总厚度100μm，镍电极微针和电路层厚度48μm，线宽100μm，微针长度300μm，针尖比例1∶1.5，金保护层厚度1μm，采用8层组装，夹具为整体式，尼龙螺丝直径为2mm。

如图1所示，本实施例制备过程如下：

(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷黏附层的制备

采用厚度为2mm的玻璃片为基片1，首先进行基片处理：用碳酸钙粉末、丙酮、酒精和去离子水超声清洗干净，在180℃烘箱中烘干3小时。然后在基片上涂覆厚度为200μm厚的聚二甲基硅氧烷黏附层2，转速为600rpm，在260℃真空炉下进行2小时固化。随后在聚二甲基硅氧烷黏附层2上溅射100nm的第一铬/铜金属种子层3。

(2)第一金属牺牲层的制备

在第一铬/铜金属种子层3上涂覆厚度为40μm的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为350秒，显影时间为750秒，电铸厚度40μm的铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属种子层3。

(3)第一聚酰亚胺层的制备

在铜金属牺牲层4和露出的聚二甲基硅氧烷黏附层2上涂覆厚度为45μm的聚酰亚胺酸，转速为900rpm，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化处理制成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨第一聚酰亚胺层5至露出铜金属牺牲层4。

(4)金属电极微针及电路层的制备

在第一聚酰亚胺层5上溅射100nm的第二铬/铜金属种子层6，然后在其上涂覆50μm厚的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为450秒，显影时间为800秒，电铸厚度48μm、线宽100μm的镍金属电极微针及电路层7，微针长度300μm，针尖比例1∶1.5。用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第二铬/铜金属种子层6，露出第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4。

(5)第二聚酰亚胺层的制备

在镍金属电极微针及电路层7、露出的第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4上涂覆厚度为10μm的聚酰亚胺酸，转速为2500rpm，在135℃烘箱中前烘30分钟。涂覆10μm厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为160秒，显影时间为300秒(因样品底部不平，需增加曝光时间，采用显影液刻蚀聚酰亚胺酸，需增加显影时间)。用丙酮去除光刻胶，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化形处理制成成第二聚酰亚胺层8。

(6)金属牺牲层的去除

用氨水、双氧水混合溶液去除铜金属牺牲层4，高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除铜金属牺牲层4下方的第一铬/铜金属种子层3中的铬，实现第一聚酰亚胺层的图形化以及电极微针悬臂梁结构的释放。

(7)惰性金属保护层的制备及器件剥离

使用脉冲电流电镀厚度1μm的金保护层9，将片子置于无水乙醇中使聚二甲基硅氧烷黏附层2溶胀，表面失去活性，然后将器件从基片上剥离，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极。

(8)器件的多层组装

将8片释放后的器件叠加，组装于整体式夹具10内，用直径2mm的尼龙螺丝11固定，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列。

实施例3

生物微电极阵列结构参数：硅基片，聚二甲基硅氧烷黏附层厚度100μm，生物微电极总厚度120μm，镍电极微针和电路层厚度68μm，线宽200μm，微针长度500μm，针尖比例1∶2，金保护层1.5μm，采用4层组装，夹具为组合式，尼龙螺丝直径为2.5mm。

如图1所示，本实施例制备过程如下：

(1)基片处理及聚二甲基硅氧烷黏附层的制备

采用厚度为0.5mm的硅片为基片1，首先进行基片处理：用去离子水超声清洗干净，在180℃烘箱中烘干3小时。然后在基片上涂覆厚度为100μm厚的聚二甲基硅氧烷黏附层2，转速为1000rpm，在260℃真空炉下进行2小时固化。随后在聚二甲基硅氧烷黏附层2上溅射200nm的第一铬/铜金属种子层3。

(2)第一金属牺牲层的制备

在第一铬/铜金属种子层3上涂覆厚度为50μm的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为450秒，显影时间为800秒，电铸厚度50μm的铜金属牺牲层4，用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第一铬/铜金属种子层3。

(3)第一聚酰亚胺层的制备

在铜金属牺牲层4和露出的聚二甲基硅氧烷黏附层2上涂覆厚度为55μm的聚酰亚胺酸，转速为700rpm，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化处理制成柔性衬底第一聚酰亚胺层5。用抛光机打磨第一聚酰亚胺层5至露出铜金属牺牲层4。

(4)金属电极微针及电路层的制备

在第一聚酰亚胺层5上溅射200nm的第二铬/铜金属种子层6，然后在其上涂覆70μm厚的正胶AZ50XT，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为500秒，显影时间为900秒，电铸厚度68μm、线宽200μm的镍金属电极微针及电路层7，微针长度500μm，针尖比例1∶2。用丙酮去除光刻胶，先后采用氨水、双氧水混合溶液和高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除第二铬/铜金属种子层6，露出第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4。

(5)第二聚酰亚胺层的制备

在镍金属电极微针及电路层7、露出的第一聚酰亚胺层5和铜金属牺牲层4上涂覆厚度为20μm的聚酰亚胺酸，转速为2000rpm，在135℃烘箱中前烘30分钟。涂覆15μm厚的正胶AZ4903，采用德国Karl Suss公司MA6光刻机曝光，曝光时间为230秒，显影时间为480秒(因样品底部不平，需增加曝光时间，采用显影液刻蚀聚酰亚胺酸，需增加显影时间)。用丙酮去除光刻胶，采用阶梯升温法(80℃--110℃--150℃--270℃)热固化处理制成第二聚酰亚胺层8。

(6)金属牺牲层的去除

用氨水、双氧水混合溶液去除铜金属牺牲层4，高锰酸钾、氢氧化钠混合溶液去除铜金属牺牲层4下方的第一铬/铜金属种子层3中的铬，实现第一聚酰亚胺层的图形化以及电极微针悬臂梁结构的释放。

(7)惰性金属保护层的制备及器件剥离

使用脉冲电流电镀厚度1.5μm的金保护层9，将片子置于无水乙醇中使聚二甲基硅氧烷黏附层2溶胀，表面失去活性，然后将器件从基片上剥离，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极。

(8)器件的多层组装

将4片释放后的器件叠加，组装于组合式夹具10内，用直径2.5mm的尼龙螺丝11固定，制得基于柔性衬底MEMS技术的脑电图干电极阵列。