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人类对于神经系统的研究和神经修复术的发展都对脑-机接口(Brain-MachineInterface,BCI)器件提出了越来越高的要求,而微机械加工技术的发展正为神经记录和激励工具提供了有力的支持。使用基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺的硅微机械加工技术制造神经记录电极对于现代神经科学和医疗康复的发展具有非常重要的意义。本文工作的主要目的在于利用MEMS工艺,开发植入式多通道单神经元记录微电极探针和生物电势记录用微电极的设计和制造方法。
本文的主要创新点和研究成果如下:
此项工作完成了用于单神经元记录的硅基植入式多通道薄膜微电极探针的制造,该方法能够制作出可用户定制、具有高度一致性和可重复性的神经记录用器件,处于国内领先地位。根据不同应用场合的需要,给出了多种不同尺寸及记录点设计的微电极探针,长度最大为6.Smm,记录点最大规模为5×4阵列。对于二氧化硅和硅材料电极探针的制造,形成了基于MEMS工艺的整套有效可行的方法。对微电极的电化学阻抗和机械性能等进行了测试,结果表明其符合在体记录的要求。
针对在脑电图、肌电图等生物电势记录中的应用,此项工作开发了一种新型的皮肤干电极,给出了其器件设计和制造方法。这种使用深刻蚀方法制造的皮肤干电极的针状尖端可插入皮肤的导电层,因此无需导电膏即可得到较低的电极-皮肤阻抗,因此适用于长时间记录,拓展了生物电势记录的应用领域。
在植入式微电极探针和皮肤干电极的制造过程中都涉及到了MEMS基本工艺,其中包括硅表面微加工技术和体硅腐蚀技术。本文给出了KOH、EPW和TMAH三种腐蚀液的反应原理和条件,对它们的特性进行了比较,给出了适合微电极制造的优化反应条件。残余应力及其在厚度方向的梯度是淀积多层膜结构中的重要问题,在此给出了残余应力的起源和微量偏转量的计算方法,并对减小残余应力的方法进行了讨论。