带微流体通道的给药式三维碳微电极的制备方法

摘要

本发明公开了一种带微流体通道的给药式三维碳微电极的制备方法。本发明的方法采用硅片作为衬底材料，以BCB为电极表面材料，充分利用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合C-MEMS技术，制备了带微流体通道的给药式碳微电极。本发明的制备方法减少了溅射贵金属的工艺步骤，通过高温使光刻胶碳化并获得良好的电学特性，且碳电极不易被腐蚀。本发明的方法直接采用SU-8胶使电极变厚，增强电极与组织的紧密接触，比电镀成本低。本发明的方法制备的碳微电极内的微流体通道可以作为给药的入口，输入药液以减少机体的排异反应、增强电极的效果。本发明的方法采用具有低介电性的BCB作为表层材料，防水性高、生物相容性好，适合体内的长期植入。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维碳微电极的制备方法，尤其涉及一种带微流体通道的给 药式三维碳微电极的制备方法。

背景技术

由于传统的药物治疗方式很难治愈神经损伤，医学界已经越来越多地将目 光转向基于人工电子设备的神经修复方式，即通过对生物神经-肌肉系统施加电 刺激信号来替代原本由感受器或中枢神经系统发出的电信号的方式，修复受损 神经通路。目前，这种神经修复方式在临床上已经取得了较好效果，并得到了 广泛的研究与应用。对于视觉神经严重受损的患者，可以采用植入眼球或脑部 的微电极直接刺激视觉神经，通过传导通路向视觉中枢发放神经电信号，产生 视觉反应。基于视觉传导通路的不同部位，视觉修复包括视网膜、视神经以及 视皮层修复方式。

作为人工电子设备与生物组织的接口部件，植入式神经微电极在运动功能、 感觉功能等神经修复领域中发挥着日益重要的作用。比如，目前的视觉修复研 究结果表明：借助于植入式视神经微电极，盲人已经具有光感，并且能够辨认 简单的空间物体。多通道植入式神经微电极阵列直接与生物组织相接触，是实 现神经修复的关键部件。作为生物神经系统与人工电子设备的唯一物理通道， 植入式神经微电极的性能优劣直接决定了神经功能修复的有效性。在设计电极 时，主要考虑材料的生物相容性、电极的稳定性、生物电的传输能力以及工艺 的可行性。

经对现有技术的文献检索发现，Keekeun Lee，Jiping He等人在 Biosensors and Bioelectronics(生物传感器与生物电子，20(2004)404-407) 上发表的“Biocompatible benzocyclobutene(BCB)-based neural implants  with micro-fluidic channel”(基于BCB材料的植入式神经微流体通道)，该文 提出基于BCB制备具有微流体通道的微电极阵列。具体方法为：采用溅射方 法制备Pt或者Au电极，采用以美国shipley公司生产的AZ4620光刻胶作为 牺牲层、以美国陶氏化学生产的BCB(苯并环丁烯)光刻胶为表层制备微流体 通道。其不足在于：采用贵金属Pt或Au作为电极，电极厚度低，电荷传输能 力有限，容易被电化学腐蚀。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种带微流 体通道的给药式三维碳微电极的制备方法，将SU-8胶的光刻技术和C-MEMS 的工艺相结合，制备体内植入式带微流体通道的给药式碳微电极。

为实现上述目的，本发明提供了一种带微流体通道的给药式三维碳微电极的 制备方法，包括如下步骤：

步骤A、提供衬底，在所述衬底上形成第一层二氧化硅；

步骤B、在所述第一层二氧化硅上形成第一牺牲层，在所述第一牺牲层上 形成第二层二氧化硅；

步骤C、在所述第二层二氧化硅上刻蚀出弧形凹槽，在所述弧形凹槽内涂 敷第二牺牲层；

步骤D、在所述第二层二氧化硅上旋涂底层光刻胶并固化，在所述底层光 刻胶上光刻出互连线、压焊点、接触圆点和微流体通道出入口；

步骤E、去除所述第二牺牲层，在所述底层光刻胶上旋涂顶层光刻胶，图 形化所述顶层光刻胶，得到所述光刻胶构成的柱状物；

步骤F、高温碳化所述柱状物，形成碳微电极，在所述微流体通道正上方 形成圆柱形刺激点；在所述碳微电极表面旋涂第一层光敏性聚合物材料，图形 化所述第一层光敏性聚合物材料，以暴露出圆柱形刺激点；再图形化所述第二 层二氧化硅，以暴露出所述第一牺牲层；

步骤G、在所述第一层光敏性聚合物材料表面旋涂光刻胶，并加盖透光的 玻璃片，通过曝光得到连接所述第一层光敏性聚合物材料与所述玻璃片的微 柱，所述微柱经固化后形成所述第一层光敏性聚合物材料与所述玻璃片之间的 粘结剂层，以实现所述玻璃片与所述碳微电极的表面绝缘层的局部键合；

步骤H、腐蚀所述第一牺牲层，以所述玻璃片作为支撑面将所述碳微电极 翻转，在所述碳微电极的下表面旋涂第二层光敏性聚合物材料；

步骤I、切割除去键合部位，释放单个电极，以形成带微流体通道的给药 式碳微电极。

进一步地，所述衬底为N型或P型单晶硅。

进一步地，所述第一牺牲层为氮化硅，所述第一牺牲层的厚度为0.15μm。

进一步地，所述第二牺牲层为AZ4620光刻胶。

进一步地，所述光刻胶为SU-8光刻胶。

进一步地，所述底层光刻胶的厚度为1-2μm，所述顶层光刻胶的厚度为 100μm-1mm。

进一步地，所述弧形凹槽的槽深为10-30μm。

进一步地，在所述步骤E中，通过在丙酮溶液中浸泡3小时，来溶解去除所 述第二牺牲层。

进一步地，所述光敏性聚合物材料为苯并环丁烯、聚酰亚胺或聚对二甲苯。

进一步地，在所述步骤F中，所述高温碳化进一步包括：通入2000ml/min 的N₂气流，以5℃/min的升温速率升到600℃并保持30分钟，再以10℃/min 的升温速率升至1000℃并保持60分钟，当温度升到1000℃时通入2000ml/min 的N₂和H₂的混合气体，以减少碳膜的含氧量。

本发明的有益效果在于：

本发明的方法采用硅片作为衬底材料，以BCB为电极表面材料，充分利 用SU-8胶的曝光厚度深的特点，结合C-MEMS技术，制备了带微流体通道的 给药式碳微电极。

本发明的制备方法减少了溅射贵金属的工艺步骤，通过高温使光刻胶碳化 并获得良好的电学特性，且碳电极不易被腐蚀。

本发明的制备方法直接采用SU-8胶使电极变厚，增强电极与组织的紧密 接触，比电镀成本低。

本发明的方法制备的碳微电极内的微流体通道可以作为给药的入口，输入 药液以减少机体的排异反应、增强电极的效果。

本发明的方法采用具有低介电性的BCB作为表层材料，防水性高、生物 相容性好，适合体内的长期植入。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的方法的生长了第一层二氧化硅后的示意图；

图2是本发明的方法的生长了第二层二氧化硅后的示意图；

图3是本发明的方法的涂敷第二牺牲层后的示意图；

图4是本发明的方法的光刻出互连线、压焊点、接触圆点和微流体通道出 入口后的示意图；

图5是本发明的方法的图形化顶层光刻胶后的示意图；

图6是本发明的方法的图形化第一层光敏性聚合物材料和第二层二氧化硅 后的示意图；

图7是本发明的方法在碳微电极的下表面旋涂第二层光敏性聚合物材料的 示意图；

图8是本发明的方法的形成带微流体通道的给药式碳微电极的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明。

实施例1

在本实施例中，采用SU-8胶构成的圆柱形刺激点的高度为70至100微 米，用于贴敷在视神经或者脑皮层的硬脑膜表面，以刺激视神经或者脑皮层， 进行神经功能修复。

如图1～图8所示，本实施例包含以下步骤：

步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，采用PECVD在硅片的抛光面 生长第一层SiO₂ 2。如图1所示。

所述的硅片为N型或P型单晶硅。

步骤二，在第一层SiO₂ 2上采用LPCVD生长氮化硅3作为第一牺牲层， 在氮化硅上采用PECVD的方法生长第二层SiO₂ 4。如图2、图3所示。

所述的第一牺牲层3的厚度为0.15μm；

所述的第二层SiO₂ 4的厚度为30μm；

步骤三，在第二层SiO₂上采用各向同性的湿法刻蚀出弧形凹槽，在弧形凹 槽内涂敷AZ4620光刻胶作为第二牺牲层5。如图3所示。

所述的弧形凹槽的槽深为10μm；

所述的AZ4620光刻胶，为美国shipley公司所生产的正光刻胶。

步骤四，在第二层SiO₂ 4上旋涂底层SU-8胶并固化，然后在底层SU-8 胶7上光刻出互连线、压焊点、接触圆点的几何图形和微流体通道出入口6。 如图4所示。

所述的底层SU-8胶7的厚度为1-2μm；

所述的光刻是指近紫外光光刻。

步骤五，将步骤四所得产物在丙酮溶液中浸泡3小时，以溶解去除第二牺 牲层5。

步骤六，在底层SU-8胶7上旋涂顶层SU-8胶8，采用光刻工艺对其进行 图形化，保留接触圆点上方的顶层SU-8胶，得到圆柱形SU-8胶9。如图5 所示。

所述的顶层SU-8胶的厚度为200μm-300μm。

步骤七，将步骤六得到的电极用高温炉陶瓷管高温碳化，制成碳微电极10； 这样，在微流体通道正上方形成圆柱形刺激点，并通过步骤四中的接触圆点与 互连线和焊盘实现电连接。碳化后形成了圆柱形刺激点10的高度为70至100 微米。

所述的高温碳化是指：通以2000ml/min的N₂气流，以5℃/min的升温速 率升到600℃并保持30min，再以10℃/min的速率升至1000℃并保持60min； 1000℃时通以2000ml/min的N₂/H₂的混合气体，以减少碳膜的含氧量。

步骤八，在碳微电极10表面旋涂第一层光敏性苯并环丁烯(BCB)材料 11，并通过光刻工艺图形化，去除单个电极之间的BCB材料11，固化后高度 为5-10μm。该层用于绝缘电极，并暴露出圆柱形刺激点。图形化顶层二氧化 硅4，去除单个电极之间的顶层二氧化硅4，暴露出氮化硅层。如图6所示。

所述的苯并环丁烯，为陶氏化学生产的cyclotene 4026-46，其中：第一苯 并环丁烯层11的厚度为5-10μm。

步骤九，在第一层BCB表面边缘旋涂SU-8胶8，并加盖透光的圆形玻璃 片12，通过紫外曝光、得到连接第一苯并环丁烯层11与圆玻片12的SU-8胶 微柱，该微柱固化后便成为BCB与圆玻片之间的粘结剂层，从而实现了圆玻 片12与微电极的表面绝缘层BCB的局部键合。

所述的粘结剂层的厚度为300μm-1mm。

步骤十，用热磷酸腐蚀第一牺牲层氮化硅3，以圆玻片作为支撑面将电极 翻转，并对碳微电极的下表面旋涂第二层BCB11，如图7所示。

步骤十一，对第二层BCB11进行图形化处理，去除单个电极之间的BCB 材料；

所述的图形化处理是指：对第二层苯并环丁烯光刻出边界；

步骤十二，切割去键合部位，释放单个电极。对电极进行清洗，得到带微 流体通道的给药式碳微电极。如图8所示。

所述清洗，是指采用去离子水进行清洗。

本实施例采用硅片作为衬底材料，以BCB为电极表面材料，充分利用SU-8 胶的曝光厚度深的特点，结合C-MEMS技术，制备了带微流体通道的给药式 碳微电极。制备过程减少了溅射钛金的工艺步骤，通过高温使光刻胶碳化并获 得良好的电学特性，且碳电极不会被腐蚀；直接采用SU-8胶使电极变厚，增 强电极与组织的紧密接触，比电镀成本低；电极内微流体通道可以作为给药的 入口，输入药液以减少机体的排异反应、增强电极的效果等；采用具有低介电 性的BCB作为表层材料，防水性高、生物相容性好，适合体内的长期植入。 采用SU-8胶构成的圆柱形刺激点的高度为70至100微米，用于贴敷在视神 经或者脑皮层的硬脑膜表面，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功能修复。

实施例2

本实施例中采用SU-8胶构成的圆柱形刺激点的高度为300至500微米， 用于穿透硬脑膜，贴覆在软脑膜表面，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功 能修复。

如图1所示，本实施例包含以下步骤：

步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，采用PECVD在硅片的抛光面 生长第一层SiO₂ 2。如图(a)所示。

所述的硅片为N型或P型单晶硅。

步骤二，在第一层SiO₂ 2上采用LPCVD生长氮化硅3作为第一牺牲层， 在氮化硅上采用PECVD的方法生长第二层SiO₂ 4。如图(b)(c)所示。

所述的第一牺牲层3的厚度为0.15μm；

所述的第二层SiO₂ 4的厚度为30μm；

步骤三，在第二层SiO₂上采用各向同性的湿法刻蚀出弧形凹槽，在弧形凹 槽内涂敷AZ4620光刻胶作为第二牺牲层5。如图(c)所示。

所述的弧形凹槽的槽深为10μm；

所述的AZ4620光刻胶，为美国shipley公司所生产的正光刻胶。

步骤四，在第二层SiO₂ 4上旋涂底层SU-8胶并固化，然后在底层SU-8 胶7上光刻出互连线、压焊点、接触圆点的几何图形和微流体通道出入口6。 如图(d)所示。

所述的底层SU-8胶7的厚度为1-2μm；

所述的光刻是指近紫外光光刻。

步骤五，将步骤四所得产物在丙酮溶液中浸泡3小时，以溶解去除第二牺 牲层5。

步骤六，在底层SU-8胶7上旋涂顶层SU-8胶8，采用光刻工艺对其进行 图形化，保留接触圆点上方的顶层SU-8胶，得到圆柱形SU-8胶9。如图(e) 所示。

所述的顶层SU-8胶的厚度为1mm。

步骤七，将步骤六得到的电极用高温炉陶瓷管高温碳化，制成碳微电极10； 这样，在微流体通道正上方形成圆柱形刺激点，并通过步骤四中的接触圆点与 互连线和焊盘实现电连接。碳化后形成了圆柱形刺激点10的高度为400至500 微米。

所述的高温碳化是指：通以2000ml/min的N₂气流，以5℃/min的升温速 率升到600℃并保持30min，再以10℃/min的速率升至1000℃并保持60min； 1000℃时通以2000ml/min的N₂/H₂的混合气体，以减少碳膜的含氧量。

步骤八，在碳微电极10表面旋涂第一层光敏性苯并环丁烯(BCB)材料 11，并通过光刻工艺图形化，去除单个电极之间的BCB材料11，固化后高度 为5-10μm。该层用于绝缘电极，并暴露出圆柱形刺激点。图形化顶层二氧化 硅4，去除单个电极之间的顶层二氧化硅4，暴露出氮化硅层。如图(f)所示。

所述的苯并环丁烯，为陶氏化学生产的cyclotene 4026-46，其中：第一苯 并环丁烯层11的厚度为5-10μm。

步骤九，在第一层BCB表面边缘旋涂SU-8胶8，并加盖透光的圆形玻璃 片12，通过紫外曝光、得到连接第一苯并环丁烯层11与圆玻片12的SU-8胶 微柱，该微柱固化后便成为BCB与圆玻片之间的粘结剂层，从而实现了圆玻 片12与微电极的表面绝缘层BCB的局部键合。

所述的粘结剂层的厚度为600μm-1mm。

步骤十，用热磷酸腐蚀第一牺牲层氮化硅3，以圆玻片作为支撑面将电极 翻转，并对碳微电极的下表面旋涂第二层BCB11，如图(g)所示；

步骤十一，对第二层BCB11进行图形化处理，去除单个电极之间的BCB 材料；

所述的图形化处理是指：对第二层苯并环丁烯光刻出边界；

步骤十二，切割去键合部位，释放单个电极。对电极进行清洗，得到带微 流体通道的给药式碳微电极。如图(h)所示。

所述清洗，是指采用去离子水进行清洗。

本实施例采用硅片作为衬底材料，以BCB为电极表面材料，充分利用SU-8 胶的曝光厚度深的特点，结合C-MEMS技术，制备了带微流体通道的给药式 碳微电极。制备过程减少了溅射钛金的工艺步骤，通过高温使光刻胶碳化并获 得良好的电学特性，且碳电极不会被腐蚀；直接采用SU-8胶使电极变厚，增 强电极与组织的紧密接触，比电镀成本低；电极内微流体通道可以作为给药的 入口，输入药液以减少机体的排异反应、增强电极的效果等；采用具有低介电 性的BCB作为表层材料，防水性高、生物相容性好，适合体内的长期植入。 采用SU-8胶构成的圆柱形刺激点的高度为300至500微米，用于穿透硬脑膜， 贴覆在软脑膜表面，用于刺激视神经或者脑皮层，进行神经功能修复。

实施例3

采用AZ4620胶作为第一牺牲层形成的微流体通道深为30微米，用于向 生物体内注入药液，减少机体对植入式微针的排异反应，增强神经功能修复的 效率。

如图1所示，本实施例包含以下步骤：

步骤一，清洗硅片1，以硅片1作为衬底，采用PECVD在硅片的抛光面 生长第一层SiO₂ 2。如图(a)所示。

所述的硅片为N型或P型单晶硅。

步骤二，在第一层SiO₂ 2上采用LPCVD生长氮化硅3作为第一牺牲层， 在氮化硅上采用PECVD的方法生长第二层SiO₂ 4。如图(b)(c)所示。

所述的第一牺牲层3的厚度为0.15μm；

所述的第二层SiO₂ 4的厚度为50μm；

步骤三，在第二层SiO₂上采用各向同性的湿法刻蚀出弧形凹槽，在弧形凹 槽内涂敷AZ4620光刻胶作为第二牺牲层5。如图(c)所示。

所述的弧形凹槽的槽深为30μm；

所述的AZ4620光刻胶，为美国shipley公司所生产的正光刻胶。

步骤四，在第二层SiO₂ 4上旋涂底层SU-8胶并固化，然后在底层SU-8 胶7上光刻出互连线、压焊点、接触圆点的几何图形和微流体通道出入口6。 如图(d)所示。

所述的底层SU-8胶7的厚度为1-2μm；

所述的光刻是指近紫外光光刻。

步骤五，将步骤四所得产物在丙酮溶液中浸泡3小时，以溶解去除第二牺 牲层5。

步骤六，在底层SU-8胶7上旋涂顶层SU-8胶8，采用光刻工艺对其进行 图形化，保留接触圆点上方的顶层SU-8胶，得到圆柱形SU-8胶9。如图(e) 所示。

所述的顶层SU-8胶的厚度为500-1mm。

步骤七，将步骤六得到的电极用高温炉陶瓷管高温碳化，制成碳微电极10； 这样，在微流体通道正上方形成圆柱形刺激点，并通过步骤四中的接触圆点与 互连线和焊盘实现电连接。

所述的高温碳化是指：通以2000ml/min的N₂气流，以5℃/min的升温速 率升到600℃并保持30min，再以10℃/min的速率升至1000℃并保持60min； 1000℃时通以2000ml/min的N₂/H₂的混合气体，以减少碳膜的含氧量。

步骤八，在碳微电极10表面旋涂第一层光敏性苯并环丁烯(BCB)材料 11，并通过光刻工艺图形化，去除单个电极之间的BCB材料11，固化后高度 为5-10μm。该层用于绝缘电极，并暴露出圆柱形刺激点。图形化顶层二氧化 硅4，去除单个电极之间的顶层二氧化硅4，暴露出氮化硅层。如图(f)所示。

所述的苯并环丁烯，为陶氏化学生产的cyclotene 4026-46，其中：第一苯 并环丁烯层11的厚度为5-10μm。

步骤九，在第一层BCB表面边缘旋涂SU-8胶8，并加盖透光的圆形玻璃 片12，通过紫外曝光、得到连接第一苯并环丁烯层11与圆玻片12的SU-8胶 微柱，该微柱固化后便成为BCB与圆玻片之间的粘结剂层，从而实现了圆玻 片12与微电极的表面绝缘层BCB的局部键合。

所述的粘结剂层的厚度为300μm-1mm。

步骤十，用热磷酸腐蚀第一牺牲层氮化硅3，以圆玻片作为支撑面将电极 翻转，并对碳微电极的下表面旋涂第二层BCB11，如图(g)所示；

步骤十一，对第二层BCB11进行图形化处理，去除单个电极之间的BCB 材料；

所述的图形化处理是指；对第二层苯并环丁烯光刻出边界；

步骤十二，切割去键合部位，释放单个电极。对电极进行清洗，得到带微 流体通道的给药式碳微电极。如图(h)所示。

所述清洗，是指采用去离子水进行清洗。

本实施例采用硅片作为衬底材料，以BCB为电极表面材料，充分利用SU-8 胶的曝光厚度深的特点，结合C-MEMS技术，制备了带微流体通道的给药式 碳微电极。制备过程减少了溅射钛金的工艺步骤，通过高温使光刻胶碳化并获 得良好的电学特性，且碳电极不会被腐蚀；直接采用SU-8胶使电极变厚，增 强电极与组织的紧密接触，比电镀成本低；采用具有低介电性的BCB作为表 层材料，防水性高、生物相容性好，适合体内的长期植入。采用AZ4620胶作 为第一牺牲层形成的微流体通道深为30微米，用于向生物体内注入药液，减 少机体对植入式微针的排异反应，增强神经功能修复的效果。

在本发明的方法中，二氧化硅和氮化硅的生长不限于PECVD或者LPCVD 方式，也可以是APCVD与热氧化等。

在本发明的方法中，圆柱形刺激点的材料不限于采用SU-8胶进行碳化， 也可以采用其他聚合物材料，例如聚酰亚胺与聚对二甲苯等。

在本发明的方法中，所述碳电极的绝缘材料不限于光敏性BCB材料，也 可以是聚酰亚胺与聚对二甲苯等聚合物材料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。