新型聚酰亚胺图形化工艺制备视网膜电极

新型聚酰亚胺图形化工艺制备视网膜电极徐旻,陈迪,周然,陈翔,朱军,刘景全(上海交通大学微纳科学技术研究院,微米/纳米加工技术国家级重点实验室,
薄膜与微细技术教育部重点实验室,上海200240)
摘要:介绍了一种新型的、基于Cu牺牲层的聚酰亚胺图形化方法制备视网膜电极的M EMS工艺,并对其电化学性能进行了表征。

该工艺创新性地以Cu作为衬底聚酰亚胺图形化的牺牲层,以PDM S(聚二甲基硅氧烷)作为剥离层,以聚酰亚胺作为封装材料,以惰性金属作为电极保护层材料,通过电铸、牺牲层和抛光打磨工艺,制备出可以自释放的柔性视网膜电极;随后,对器件进行封装,并对器件的表面形貌和电学性能进行了表征。

视网膜电极器件厚度50L m,电路线宽50L m,阻抗104~1058。

通过该工艺制得的人造视网膜电极具有柔软无伤害、生物相容以及低成本的优点。

关键词:M EM S;生物电极;牺牲层;聚酰亚胺;光刻
中图分类号:R318.18;Q811121文献标识码:A文章编号:1671-4776(2010)02-0105-05 New Fabrication of Retina Electrodes by Micro-Patterning of PI
Xu M in,Chen Di,Zhou Ran,Chen Xiang,Zhu Jun,Liu Jing quan
(K ey Labor ator y f or T hin Film and M icro f abr ication T echnology of M inistr y of Education,N ational K ey
L abor ator y of M icr o/N ano Fabr ication T echnology,Res ear ch I nstitute of M icr o/N ano Science and T echno logy, Shanghai J iao T ong Univer sity,S hanghai200240,China)
Abstract:A new M EM S fabr icatio n pr ocess of artificial r etina electrodes by the sacrificia-l layer-rem oving m ethod fo r the m icro-patter ning o f PI w as introduced.The electrochemical perfor-mance of the retina electrodes w as characterized.T he self release and flex ible retina electrodes w ere fabricated through the electr ofo rm,sacrificia-l layer-removing and polishing w ith the Cu sacr ificia-l lay er,PDM S release layer,PI packag e material and inert m etal electro de protective layer.T hen,the devices w ere packag ed,and the surface mor pholog y and electrical performance w ere char acterized.T he thickness is50L m,the line w idth of the circuit is50L m,and the im pedance is104-1058.The retina electro des have som e characters such as flexibility,bio com-patibility and low-cost.
Key words:MEM S;bio-electrode;sacrificial layer;PI;litho graphy
DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2010.02.009EEACC:7500;2550G
0引言
根据世界卫生组织的统计,全球失明人口共4500万,中国约有900万视力残疾者,占全世界盲人总数的1/5左右。

对于因视神经、视网膜或大脑受到损伤或发生病变导致视力严重残疾的患者,
收稿日期:2009-09-01
基金项目:国家863计划资助项目(2006AA04Z356,2006AA04Z308)通信作者:陈迪,E-mail:dchen@
M EM S器件与技术M EM S Device&T echnolo gy
至今还没有有效的方法帮助他们重新获得视觉[1]。

医学上的研究发现,视网膜色素变性(RP)和老年性黄斑病变(AM D)是两种最易致盲的疾病,患者的部分外层视网膜感受器细胞(锥体和杆体细胞)的功能退化,但内层视网膜细胞仍然具有功能。

随着生物医学工程交叉学科的发展以及Bio-MEM S技术的进步,通过视网膜电极治疗失明患者成为研究的热点[2]。

视网膜电极是一种通过刺激视网膜内层细胞,在视皮层产生诱发电位,从而使失明患者重新获得视觉的人工器官。

视觉假体系统包括以下几个部分:图像采集与处理子系统、无线数据传输及无线供能子系统、微电子刺激器、封装和刺激微电极等[3]。

其工作原理为:体外的适配器捕获图像信息,压缩编码之后传入体内的视觉假体,视觉假体通过解码器将图像数据转换成微小的电流脉冲,并通过微电极阵列刺激视觉神经细胞,从而产生视觉感应。

由于视网膜电极具有重大医学应用价值和经济价值,世界各国正投入大量的人力物力进行研究,德国波恩大学的Eckmiller研究小组、美国南加州大学的H um ay un研究小组、麻省理工学院与哈佛大学共同合作的研究小组、底特律的Abram s研究小组及日本大阪的T ano研究小组,都在努力开发可以长期固定于视网膜内层的视网膜超薄电极阵列[4-6]。

目前对视网膜视觉假体的研究根据电极植入位置的不同可分为视网膜上植入体和视网膜下植入体两类[7]。

视网膜上植入体的刺激电极阵列位于玻璃体和视网膜感觉细胞层,直接刺激神经节细胞;视网膜下植入体的刺激电极阵列位于视网膜外层和视网膜色素上皮层之间,在理论上可代替感受器细胞的功能,保留了视网膜传递信息的正常过程。

与视网膜下植入体相比较,视网膜上植入体有其特有的优势:能够人为控制刺激参数,优化信号的质量,能够获得较好的刺激效果,同时系统各组件也易于升级[8];且玻璃体可以作为良好的散热介质,避免由于组织吸收电磁辐射和植入体的芯片生热引起的局部温度升高而损伤周围组织[9]。

在视网膜上植入体中,生物微电极是极其重要的组成部分,其作为神经系统和外部视觉假体系统的接口,负责将刺激电信号传递到视网膜神经细胞,从而使盲人获得视觉信息。

本文设计了一种新的制备视网膜神经刺激的生物微电极的工艺,制备的器件富有柔性,具有生物相容性好和可以自释放的特点。

1电极材料的选择和结构设计
植入人体的视网膜电极要求有良好的导电性能、抗腐蚀能力和生物相容性,在器件植入人体的过程中,要防止器件对组织的损伤。

同时,又由于视网膜是一个曲面,而视网膜电极又必须紧贴视网膜,因此又要求器件有较好的柔韧性,这就对器件的结构设计和材料的选择提出了很高的要求。

为了使器件具有理想的柔韧性,作者设计了由两层柔性聚合物包裹一层金属的/聚合物-金属-聚合物0三明治结构,如图1(b)。

其中衬底的聚合物厚度较大(数十微米厚),主要是为了保证器件有一定的厚度,以防在植入人体过程中因过薄而损坏。

聚合物封装材料选用聚酰亚胺(PI),本实验采用了上海交通大学高分子材料研究所提供的前置体-高黏度液态PAA,根据黏度不同,分为PI-5(3616)薄胶和PI-5(3761)厚胶。

PI是一类在分子中含有酰胺功能团的有机高分子聚合物材料,真空加热聚酰胺酸(PAA),经脱水环化可制得固态聚酰亚胺(PI)。

PI在比较宽的温度范围内能保持优异的耐热性能、力学机械性能、介电性能和物理化学稳定性,同时还具有良好的不透水性以及生物相容性,是理想的视网膜电极封装材料。

选用Cu作为器件的电路材料,Cu的导电性能良好,延展性好,成本较低,是一种合适的导电材料。

选用Au作为电极保护层材料,Au具有优良的导电性能和化学稳定性,同时又有良好的生物相容性,是一种优良的生物电极材料。

选用Do w Corning 公司的184型PDM S作为剥离层材料,在制备器件之前首先在玻璃基片上制备一层PDMS,在最后的器件释放时将PDMS浸泡在酒精中,使其失去活性,从而可使器件剥离。

本实验制备的电极外观如图1(c)所示,整个器件的长度约为35m m。

图中黑色部分为金属电路,左端为4@5刺激电极阵列,右端为外接电
徐旻等:新型聚酰亚胺图形化工艺制备视网膜电极
路焊盘,以便外部电流信号的输入,电极点和焊盘通过Cu导线相连;中间的圆形/耳朵0设计为器件植入体内后钛钉固定用。

整个器件的边缘光滑呈流线型,以尽可能地减少植入人体过程中对肌体组织的损伤。

圆孔至刺激电极的距离约为15m m,这样的长度设计刚好可以使刺激电极在植入时到达视网膜的位置。

图1视网膜电极设计图
Fig11Design of the artificial r etina electrod es
为了实现聚酰亚胺封装材料的图形化,本实验方案创新性地采用了牺牲层工艺(图2),传统的NaOH溶液湿法刻蚀图形化聚酰亚胺的方法由于视网膜电极的封装层厚度较大,刻蚀后会形成较大的内应力导致衬底龟裂,图2为用传统湿法刻蚀方法图形化厚度较大的聚酰亚胺的结果,可以看到自沟道拐弯处延伸出来的裂纹,使整个器件损坏。

机械加工方法图形化聚酰亚胺经济、快捷,但很难保证器件边缘高度光滑。

感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀的办法图形化聚酰亚胺可以获得理想的结构[10],但其成本高昂,无法实现大规模批量生产。

图2传统PI图形化方法刻蚀PI的结果
Fig12PI sub strate pattern ed by w et-etching meth od
本文选用Cu作为牺牲层材料,Cu成本低廉,且在硝酸中能够迅速地去除(聚酰亚胺与硝酸不反应),是一种合适的牺牲层材料。

2工艺流程
图3是微电极的制备工艺流程图。

采用Cu牺牲层工艺来实现聚酰亚胺衬底的图形化,思路如下:先在聚酰亚胺需要去除的位置电镀Cu,然后旋涂厚度大于Cu厚度的聚酰胺酸(PAA),真空加热固化形成聚酰亚胺(PI),再通过抛光机打磨PI,使其变平,并使Cu牺牲层露出,最后用浓硝酸(H NO3)浸泡去除Cu牺牲层,从而实现聚酰亚胺衬底的图形化。

图3视网膜电极的制备工艺
Fig13Fab rication process of artificial r etina electrodes
图3所示的视网膜电极制备具体工艺流程如下:
(a)用丙酮、酒精和去离子水超声清洗玻璃基片,烘干;旋涂聚二甲基硅氧烷(PDM S),转速1000r/min,随后加热固化,溅射Cr/Cu种子层,为后续电镀工艺做准备。

(b)旋涂40L m的光刻正胶AZ4620,曝光显影;电镀40L m的Cu牺牲层,随后用丙酮去除光刻胶。

徐旻等:新型聚酰亚胺图形化工艺制备视网膜电极
(c)采用双氧水-氨水溶液以及铁氰化钾去铬(Cr)液去除Cr/Cu种子层,随后旋涂PAA厚胶,转速1500r/min,加热固化,真空高温加热PAA (260e,2h),形成PI;采用抛光机打磨PI表面,使Cu牺牲层露出并使PI表面变平。

(d)溅射Cr/Cu种子层,旋涂5L m厚度的光刻正胶,曝光显影,然后电镀5L m厚的Cu导线;去除Cr/Cu种子层。

(e)旋涂10L m厚度的PAA薄胶,转速2000r/min,低温固化(120e,1h),固化后形成的固态PAA可被显影液刻蚀。

(f)旋涂5L m厚的光刻正胶,曝光显影。

NaOH溶液湿法刻蚀PAA,实现上层PAA的图形化。

这里仍采用传统的湿法刻蚀工艺图形化聚酰
亚胺,是因为上层聚酰亚胺较薄,经实验证明不会在刻蚀后产生表面开裂。

(g)用丙酮去除光刻胶,随后真空高温固化,使上层PAA亚胺化成为PI;电镀5L m厚的Cu电极。

(h)电镀Au保护层。

(i)在室温下,将片子在体积分数为15%的H NO3中浸泡20m in左右,去除Cu牺牲层。

(j)将片子在酒精中浸泡,使剥离层PDMS失去黏性,实现器件的自释放。

完成人造视网膜电极的释放后,对器件进行封装,封装后的成品见图4(d)。

3结果及讨论
311视网膜电极的表面形貌
图4是制得的视网膜电极的照片和电镜图片。

电极阵列为4@5(图4(c)),电极点为半径50L m的圆点(图4(a)),导线线宽为50L m,导线间距为50L m。

导线厚度大约为5L m,电极高度大约为5L m。

从图4(a)中可以看出,电极点略微突出,可与视神经有良好的接触。

从图4(b)中可以看出,采用Cu牺牲层图形化工艺制得的器件具有十分光滑的边缘,可以保证在植入人体的过程中对肌体造成较小的损伤。

图4(c)可以看出通过电镀的方法制得的视网膜电极和导线十分完好。

图4(d)是封装后的视网膜电极成品照片,电信号由外置接口传入,经20根漆包线以及Cu 导线到达前端的电极点。

图4电极图片
Fig14Appearance of artificial retina electrodes
312视网膜电极的电学特性
视网膜电极在组织中工作时,会在电极处形成一个金属-电解液界面。

实验中,采用生理盐水(019%NaCl溶液)对电极和生物组织之间的界面进行模拟,用阻抗分析仪进行测试。

本文对器件的电化学性能进行了表征,测试了器件多个电极点的阻抗,图5是视网膜电极在不同频率(f)下的阻抗(Z)曲线,可以看出在101~ 104H z的频率范围内,视网膜电极的阻抗范围为104~1058,随着频率的增加,阻抗逐渐变小,微电极呈现高通特性。

图6是视网膜电极在不同f下的相位角(U)变化曲线,从图中可以观察得到,视网膜电极的相位延迟为-10b~-50b。

图5、图6中不同电极点的电学性能曲线离散较大,其原因是由于不同电极点位置的交流阻抗以及相位角与电极固-液交界面的粗糙程度有较大的关系[11],这说明不同电极点的表面形貌有一定程度的差异。

目前,国内外的研究小组所制备的视网膜电极阻抗一般在104~1068(101~104H z)[11-13],通过在动物身上实验,证明该范围阻抗的视网膜电极能够有效地刺激视网膜神经,在脑部产生视觉信号。

徐旻等:新型聚酰亚胺图形化工艺制备视网膜电极
4 结 论
采用全新的Cu 牺牲层工艺成功实现了聚酰亚胺衬底及封装层的图形化,制备出用于刺激视网膜神经的生物电极阵列,并且实现了器件的完整释放。

在实验中,采用电镀金的方法修饰视网膜电极,大大增加了其生物相容性。

制备出的器件尺寸小、质量轻、成本低、可靠性高及机械柔性好。

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