一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，电子材料日趋多元化，电子设备类别较为丰富，用于人体的各类电子检测或功能设备也成为研究热点，其中包括对人体特定神经元信号的检测。神经系统是调节机体生理活动的主导系统，细胞尺度上来看单个神经元产生的动作电位是神经活动的基本信号；从组织层面上看大量相邻神经元的动作电位之和为局部场电位。神经组织柔软、顺应性强且不断进行微观及宏观运动，如在日常活动时脊髓和许多周围神经会受到高达20％的张力。
3.传统硬质植入电极虽具有良好的化学惰性和导电性，但其从动性差，与人体贴合度不高，不能与神经系统同步运动，长期使用容易造成组织炎症甚至坏死等风险，基于此检测信号损坏甚至无法获取。这些电极在使用时往往因通道数少或通道间相互束缚而不能大范围检测生理电信号，所测信号数据存在一定偶然性。硬质传感器的这种机械失配不可避免，且在植入肌体时往往会引起组织损伤和神经炎症，软电子设备用作植入式电极可明显改善神经接口的机械适配性。现有软电极虽然可在顺应机体柔软特性前提下检测到生理电信号，但尺寸较大的软电极仅能检测神经组织的局部电位，难以实现进一步对单个神经元动作电位的检测。另外，有限的电极数量或电极通道间相互束缚均不能实现同时对多个区域生理电信号的检测。在最接近的现有技术中，申请号为201810209677.4的发明专利公布了一种柔性可拉伸多通道凸形表面肌电极，该电极主要由阵列式分布的测量电极、圆柱形垫片、网状衬底、互联导线和封装层组成。电极处采用凸起结构设计，测试时感知电极更易与人体皮肤紧密接触，能够长期舒适地、非侵害式地测量肌电信号。但该电极通道数依然有限，检测位点少，难以采集大区域的生理电信号。另外，单个检测电极尺寸较大，不能准确测量指定小区域的生理电信号。申请号为201910418554.6的发明利公布了一种柔性阵列微电极的制备方法。该方法运用软光刻涂覆工艺将柔性基底与高导电性材料结合，制备了尺寸可达亚毫米以下的柔性电极。但运用离子键合机容易改变柔性模具的性质使得电级性能不确定性增强，且不能保证导电材料与柔性模具的紧密贴合性。本发明为通道相对独立的超窄高密度多通道柔性电极，一方面可实现对神经组织电信号的多位点同时采集，另一方面可实现对特定神经元动作电位的检测与单个神经元电刺激，可实现对人体小区域定点生理电信号采集或施加电刺激进而辅助临床治疗。
4.飞秒激光切割技术已逐步成熟，现已应用于医学领域，如眼部视力矫正等。将飞秒切割技术引入到柔性电极制备中，一方面飞秒激光切割速度为毫微微秒级，可实现对柔性材料的快速切割；另一方面激光束可调节，可通过设定程序切割出特定形状的电极，实现电极图案化。另外，激光切割精准度高，切痕宽度可低至10微米，因此可精切割出宽度为几十
微米的电极，且可重复性高。本发明将飞秒切割技术引入柔性电极加工中，通过改变预设功率与切割轨迹等可快速的制备出超窄高密度多相对独立通道柔性电极。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极及其制备方法和应用。本专利制备的超窄高密度多相对独立通道柔性电极具有实验过程简单、成本低且便于规模化生产等特点。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
8.(1)取晶圆硅片表面旋涂一层牺牲层，烘干成膜；
9.(2)旋涂一层弹性体溶液，烘干得到柔性基底；
10.(3)在步骤(2)得到的柔性基底上贴掩模板后，置于磁控溅射或蒸镀设备中溅射或蒸镀金属导电膜，得到具有导电通路的柔性电极；柔性电极实现导电图案化，使用掩模板实现金属的局部沉积，得到特定形状的电极。其中，未旋涂弹性体溶液的两端分别作为信号检测端和电信号传输端；
11.(4)将步骤(3)得到的柔性电极两端的金属膜遮盖，将弹性体溶液稀释液均匀旋涂在除上述遮盖外的未遮盖区域，去除遮盖层，烘干得到具有绝缘层的柔性电极；
12.或者，取硅片旋涂牺牲层，再旋涂一层弹性体溶液稀释液，烘干释放后得到薄膜，通过自粘贴附在具有导电通路的柔性电极的基底上，得到具有绝缘层的柔性电极；
13.(5)用飞秒激光切割机对步骤(4)得到的柔性电极进行切割，从晶圆硅片上释放，将用于检测的一端多余基底切除，制备得到超窄高密度多相对独立通道的柔性电极，该电极检测端相对独立。
14.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的牺牲层易溶于水，所述牺牲层包括聚(4-苯乙烯磺酸钠)水溶液。
15.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中弹性体溶液包括pdms或者sebs-甲苯溶液，所述sebs-甲苯溶液的浓度为15-30wt％。
16.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中掩模板将边缘遮盖，中间的矩形区域暴露。
17.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(4)中弹性体溶液稀释液包括pdms稀释液或sebs稀释液，所述弹性体溶液稀释液的稀释比例为弹性体溶液稀释液与溶剂10-30:1。
18.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中切割的方向为垂直于柔性电极的两端裸露金属膜的方向，切割位置为从一端裸露金膜外侧直接切割至另一裸露金膜外侧，将整片金属膜及金属膜下的柔性基底切割开。
19.所述的一种超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的制备方法，其特征在于所述步骤(5)中切割后的电极从晶圆硅片上释放的具体步骤为：将切割后的电极置于装有去离子水的玻璃容器中，静置待牺牲层完全溶解，即电极与晶圆硅片分离。
20.一种通过任一所述的制备方法制备得到的超窄高密度多相对独立通道的柔性电极。
21.一种包含所述的超窄高密度多相对独立通道的柔性电极的电池。
22.一种所述的超窄高密度多相对独立通道的柔性电极在对神经组织电信号的多位点同时采集上的应用。
23.运用飞秒激光切割技术制备超窄高密度多相对独立通道柔性电极的方法具有制备步骤简单、耗时少、成本低、环境友好且重复性高等特点。具体表现在：(1)pss(聚(4-苯乙烯磺酸钠)水溶液)具有很好的亲水性，将其用作亲水牺牲层可将超窄高密度多相对独立通道柔性电极完整的与晶圆硅片分离；(2)单个电极通道尺寸较小，可实现单个神经元的电生理信号检测和选择性电刺激；(3)飞秒激光切割技术可在短时间内切割出具有上千通道电极，电极之间互相独立，可同时在大区域内检测不同位点的生理电信号；(4)电极尺寸小、柔软可拉伸、结构简单、从动性好，可减轻因植入而对组织产生的副作用。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.1、本发明将飞秒激光切割技术运用到超窄高密度多相对独立通道柔性电极的制备中，制备的柔性电极具有良好导通性且可重复性高，通道数量可达上千，且电极各通道相对独立，理论上可同时检测大区域内不同位点的生理电信号，柔性电极单个通道尺寸较小，可达到微米级，理论上可检测到某些单个神经元的动作电位。电极尺寸小、柔软可拉伸、结构简单、灵活，理论上可很好地贴合组织而不产生相对滑移，可减轻因植入而对组织产生的副作用。
26.2、本发明超窄高密度多相对独立通道柔性电极的制备方案具有耗时少，电极精度高，工程参数可控可调，实验过程简单，成本低且便于规模化量产等特点。
附图说明
27.图1为超窄高密度多相对独立通道柔性电极结构正视与截面示意图；
28.图2为超窄高密度多相对独立通道柔性电极sem图。
具体实施方式
29.以下将通过附图和实施例对本发明作进一步说明。
30.实施例1：
31.具体实验方案如下：
32.(1)配制特定浓度的sebs-甲苯溶液备用，常用sebs-甲苯溶液浓度为15％(wt％)至30％(wt％)。
33.(2)将聚(4-苯乙烯磺酸钠)(pss)-水溶液均匀涂在商用晶圆硅片上并烘干，硅片处理成亲水材料。
34.(3)将sebs-甲苯溶液均匀旋涂在步骤(2)处理后的晶圆硅片上，静置至甲苯完全挥发。
35.(4)在(3)制备的柔性基底上掩盖掩模板(将边缘遮盖，中间为矩形区域暴露)，置于磁控溅射设备中溅射金属膜，得到稳定导通的柔性电极。
36.(5)在(4)中的柔性电极矩形金膜部分的两端(矩形区域的一组对边)用掩模板覆
盖，将pdms稀释液均匀旋涂在未遮盖区域，烘干后将掩模板取下，完成柔性电极的封装。
37.(6)将(5)制备的封装好的柔性电极上，利用飞秒激光切割技术，切割成超窄高密度多相对独立通道柔性电极，切割方向垂直于暴露的两段金膜，切割位置为从一端裸露金膜外侧直接切割至另一裸露金膜外侧，即保证金膜及金膜下的柔性基底被完全切割成条状，如图1和2所示。
38.(7)将(6)制备的电极置于装有去离子水的玻璃容器中，静置1h待pss完全溶解，实现柔性电极与硅片的分离。此过程仅为pss的亲水溶解，并没有破坏电极的完整性。
39.(8)将(7)所得柔性电极从去离子水中捞出后沿图1中虚线所示的裁剪框裁剪，即将虚线外部多余柔性基底切除，从而制备出具有信号通道(包括检测端)相互独立的超窄高密度多相对独立通道柔性电极，信号传输端口处保留了多余柔性基底而未完全散开，从而保障了多通道电极的空间距离(整片电极类似流苏状)。