一种神经磁极、神经磁极制备方法和神经磁极传感器

本公开涉及神经工程、植入式生物传感与微机电系统交叉，尤其涉及一种神经磁极、神经磁极制备方法和神经磁极传感器。

背景技术：

1、神经元动作电位是神经信息传递与编码的基本单元，对其进行高时空分辨率、高保真在体检测，是揭示神经环路工作机制、发展脑机接口与神经疾病诊疗技术的关键。

2、传统电生理记录仅能获取标量电位信号，无法反映神经电流的矢量方向信息，且易受组织电导率、电极界面阻抗及胶质瘢痕增生影响，长期植入稳定性较差，难以满足高保真神经信号检测需求。宏观磁检测设备虽灵敏度较高，但体积庞大、工作条件苛刻，无法实现微型化与植入式集成，不能用于深部脑区与细胞级原位测量。已有的巨磁阻基植入式神经磁极，受材料本征特性限制，存在磁阻比低、灵敏度不足等问题，难以达到单神经元动作电位对应的皮特斯拉级弱磁检测要求，且多采用单端结构，对环境共模噪声抑制能力有限，在体信噪比偏低。同时，磁阻器件中含有的铁磁材料在生理环境中存在离子释放风险，器件钝化保护简单，生物相容性不足，长期植入易引发炎症反应与组织损伤，无法保障稳定可靠的在体记录。

3、可见，相关神经检测技术存在明显瓶颈：传统电生理无法提供矢量信息且长期稳定性不足；宏观磁检测无法实现植入式微尺度测量；巨磁阻基磁电极灵敏度与噪声抑制能力有限，难以实现单神经元动作电位磁信号检测；同时，相关器件的生物相容性与长期植入可靠性无法满足在体应用需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提供了一种神经磁极、神经磁极制备方法和神经磁极传感器。

2、本公开的第一方面提供了一种神经磁极，该神经磁极包括：传感单元，位于衬底的第一区域上方，包括相互串联的多个第一磁隧道结，第一磁隧道结通过触点和引线与第一接口连接；参考单元，位于衬底的第二区域上方，包括相互串联的多个第二磁隧道结，第二磁隧道结通过触点和引线与第二接口连接；其中，第一区域与第二区域的形状相同且沿衬底的轴向并列或对称排布，第一磁隧道结和第二磁隧道结的结构相同，均包括自下而上堆叠的第一功能叠层、势垒层和第二功能叠层，触点位于第二功能叠层上方。

3、根据本公开的实施例，第一功能叠层包括自下而上堆叠的底电极层、第一反铁磁层和合成反铁磁层；第二功能叠层包括自下而上堆叠的自由层、第二反铁磁层和顶电极层。

4、根据本公开的实施例，底电极层和顶电极层的材料为ta、au、ag、al、cu、pt、w、ti、mo、tan和tin中的一种或多种；自由层的材料为nife、cofe、cofeb、fegab、co、fe、nifeco、conbzr、cofeb/nife和cofe/ru/cofe中的一种或多种；势垒层的材料为al2o3、mgo、mgal2o4、mgga2o4和mgzno中的一种或多种；第一反铁磁层和第二反铁磁层的材料为irmn、ptmn、femn、nimn和ptpbmn中的一种或多种；合成反铁磁层的铁磁层材料为cofe、cofeb、nife和co中的一种或多种，合成反铁磁层的非磁性耦合层材料为ru和ta中的一种或多种。

5、根据本公开的实施例，该神经磁极还包括：绝缘层，位于衬底上方，且覆盖第一磁隧道结和第二磁隧道结的侧面。

6、根据本公开的实施例，绝缘层的材料为sio2、al2o3、hfo2和聚对二甲苯中的一种或多种。

7、根据本公开的实施例，该神经磁极还包括：保护层，位于绝缘层上方，且覆盖触点和引线。

8、根据本公开的实施例，保护层包括第一钝化层和第二钝化层，第一钝化层的材料为sio2，第二钝化层的材料为si3n4。

9、根据本公开的实施例，保护层的材料为al2o3、hfo2和聚对二甲苯中的一种或多种。

10、根据本公开的实施例，该神经磁极还包括：生物涂层，位于保护层上方。

11、根据本公开的实施例，生物涂层的材料为亲水性蛋白、肝素和磷脂单分子中的一种或多种。

12、根据本公开的实施例，第一接口、第二接口、触点和引线的材料为cr/au、ti/au、pt/au和ta/au中的一种或多种。

13、根据本公开的实施例，衬底的材料为单晶硅、氧化硅、绝缘体上硅、柔性聚酰亚胺、玻璃和蓝宝石中的一种或多种。

14、根据本公开的实施例，第一磁隧道结和第二磁隧道结的个数相等且均为偶数；偶数个第一磁隧道结两两共用第一功能叠层，且未共用第一功能叠层的任意两个第一磁隧道结通过第二功能叠层上的触点相连，形成传感单元；其中，位于传感单元的两端的第一磁隧道结上方的触点通过引线分别连接两个第一接口；偶数个第二磁隧道结两两共用第一功能叠层，且未共用第一功能叠层的任意两个第二磁隧道结通过第二功能叠层上的触点相连，形成参考单元；其中，位于参考单元的两端的第二磁隧道结上方的触点通过引线分别连接两个第二接口。

15、本公开的第二方面提供了一种神经磁极制备方法，该神经磁极制备方法用于制备上述的神经磁极，该神经磁极制备方法包括：在衬底表面依次沉积第一功能叠层、势垒层和第二功能叠层；在衬底上方的第一区域和第二区域进行光刻图形化，刻蚀至衬底表面，分别定义出传感单元的第一功能叠层结构和参考单元的第一功能叠层结构；在衬底上方的第一区域和第二区域的第二功能叠层表面进行光刻图形化，刻蚀至第一功能叠层表面，分别定义出传感单元的第一磁隧道结结构和参考单元的第二磁隧道结结构；在衬底表面沉积绝缘层，使绝缘层覆盖第一磁隧道结和第二磁隧道结；在绝缘层表面进行光刻图形化，分别为第一磁隧道结和第二磁隧道结的顶部开设通孔；在绝缘层表面沉积金属层，将多个第一磁隧道结串联形成传感单元，将多个第二磁隧道结串联形成参考单元，并分别定义出传感单元的引线和参考单元的引线；在金属层表面沉积保护层；对引线表面覆盖的保护层进行刻蚀，开放部分焊盘区域，分别形成第一接口和第二接口。

16、根据本公开的实施例，在对引线表面覆盖的保护层进行刻蚀，开放部分焊盘区域，分别形成第一接口和第二接口之前，该神经磁极制备方法还包括：对衬底进行减薄。

17、根据本公开的实施例，在对引线表面覆盖的保护层进行刻蚀，开放部分焊盘区域，分别形成第一接口和第二接口之后，该神经磁极制备方法还包括：进行整体形状加工，得到探针形状的神经磁极。

18、本公开的第三方面提供了一种神经磁极传感器，该神经磁极传感器包括：上述的神经磁极，以及与神经磁极的第一接口和第二接口连接的接口电路；其中，接口电路包括：传感信号处理模块，与第一接口连接，用于对神经磁极的传感单元输出的信号进行处理，得到传感信号；参考信号处理模块，与第二接口连接，用于对神经磁极的参考单元输出的信号进行处理，得到参考信号；差分放大模块，与传感信号处理模块和参考信号处理模块连接，用于对传感信号和参考信号进行差分运算，得到差分输出信号；数据采集模块，与差分放大模块连接，用于对差分输出信号进行采集与存储。

19、根据本公开的实施例：传感信号处理模块包括依次连接的第一惠斯通电桥、第一放大器和第一滤波器；其中，第一惠斯通电桥用于将传感单元的电阻变化量转换为第一差分电压信号，第一放大器用于对第一差分电压信号进行放大，得到第一放大信号，第一滤波器用于对第一放大信号进行滤波，得到传感信号；参考信号处理模块包括依次连接的第二惠斯通电桥、第二放大器和第二滤波器；其中，第二惠斯通电桥用于将参考单元的电阻变化量转换为第二差分电压信号，第二放大器用于对第二差分电压信号进行放大，得到第二放大信号，第二滤波器用于对第二放大信号进行滤波，得到参考信号；其中，第一放大器连接有第一反馈电阻，第二放大器连接有第二反馈电阻，通过分别调节第一反馈电阻和第二反馈电阻的阻值，对传感单元与参考单元之间的灵敏度差异进行增益匹配补偿，使第一放大信号与第二放大信号对相同磁场环境的响应幅度一致。

20、根据本公开的实施例，第一放大器、第二放大器和差分放大模块为仪表放大器、可编程增益放大器或低噪声磁传感器专用集成电路芯片。

21、根据本公开的实施例，数据采集模块为集成了放大器和模数转换器的数据采集芯片。

22、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。